 |
Определения и классификация ГИС
|
|
|
|
Введение
Данный курсовой проект содержит краткое изложение различных материалов по геоинформационным системам, с углубленным изложением метода построения диаграмм Вороного в программе Поверхность.
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Геоинформатика
Геоинформатика - отрасль науки, изучающая природные и социально-экономические геосистемы (их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве времени) посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и знаний (научно-познавательный подход), геоинформатика является ГИС-технологией сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации, цель которой обеспечить решение задач инвентаризации, оптимизации и управление геосистемами. Не считая этого, геоинформатика так же является своеобразным производством изготовления аппаратных средств и программных продуктов разного целевого назначения;
Основные задачи геоинформатики:
1 Разработка технических средств сбора, регистрации и передачи геоинформации с использованием вычислительной техники и вычислительных сетей
2 Разработка методов хранения и многократного использования геоинформации на основе баз данных и систем управления базами данных
3 Создание автоматизированных и геоинформационных систем по обработке и интерпретации геоданных с дальнейшим их развитием в экспертные системы
4 Разработка методов интегрированного системного анализа многоуровневой и разнопараметровой геонфирмации
5 Построение информационно-аналитических систем
Определения и классификация ГИС
Геоинформационные системы (аббревиатура ГИС) — системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Другими словами, это инструменты, позволяющие пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также дополнительную информацию об объектах, например высоту здания, адрес, количество жильцов.
|
|
|
Данные (лат. datum – факт) – совокупность фактов и сведений, представленных в каком-либо формализованном виде для их использования в науке и других сферах человеческой деятельности.
Под данными в среде ГИС понимаются вещи, известные об объектах реального мира, результаты наблюдений и измерений этих объектов. Элемент данных содержит три главных компонента: атрибутивные сведения, которые описывают сущность, характеристики, переменные, значения его квалификации; географические сведения, описывающие его положение в пространстве относительно других данных, временные сведения, описывающие момент или период времени, репрезентирующие элемент данных.
ГИС включают в себя возможности систем управления базами данных (СУБД), редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях.
По территориальному охвату различают глобальные ГИС, субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС, субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС.
ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, природоохранные ГИС и т.п.; среди них особое наименование, как особо широко распространённые, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.
|
|
|
Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов, обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль»; системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС; её тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке, прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа; внедрение ГИС; эксплуатацию и использование.
Классификация ГИС возможна по нескольким основаниям:
– пространственному охвату;
– объекту и предметной области информационного моделирования;
– проблемной ориентации;
– уровню управления;
– по целям;
– по моделям данных;
– по архитектурным принципам;
– функциональным возможностям;
– и др.
По пространственному охвату различают:
– глобальные, или планетарные, ГИС;
– субконтинентальные;
– национальные (часто имеющие статус государственных);
– межнациональные;
– региональные;
– субрегиональные;
– локальные.
ГИС способна моделировать объекты и процессы, протекающие не только на суше(территории), но и на акваториях морей, океанов и внутренних водоёмов (акватории). Например, ГИС Чёрного моря (МГУ), ГИС для мониторинга глубоководного газопровода «Голубой поток», средства морской навигации.
|
|
|
Менее известны системы, описывающие воздушное пространство (аэроторию): авиа-навигационные системы, системы планирования и выполнения аэросъёмок. Существуют ГИС для управления полётами в космическом пространстве.
По объектам информационного моделирования ГИС делятся на изучающие:
- феномены реальности (лес, земля, вода, население, хозяйство);
- процессы (наводнения, загрязнения окружающей среды, миграционные процессы);
- нематериальные объекты или идеи.
Классификация по проблемной ориентации:
- инженерно-технические (проектирование сооружений);
- имущественные для обработки кадастровых данных (учёт земельной собственности);
- обобщённые тематические и статистические системы картографирования для управления естественными ресурсами;
- библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множестве географических документов;
- географические базы данных, содержащие информацию о географических объектах;
- системы цифровой обработки данных дистанционного зондирования (ДДЗ) Земли;
- интерактивные системы обучения в области наук о Земле.
Классификация по уровню управления:
- федеральные;
- региональные;
- специальные – используемые для информационных потребностей конкретных отраслей народного хозяйства.
Классификация по целям:
- многоцелевые (общегеографические, мониторинг окружающей среды);
- тематические (водных ресурсов, лесопользования, землепользования и т.п.);
- специализированные (информационно-справочные системы по отраслям).
Программные средства ГИС можно различать и классифицировать по целому ряду параметров.
Классификация по типу (модели) данных:
– векторные;
– растровые;
– гибридные или интегральные.
Классификация по архитектурным принципам:
– Закрытые системы позволяют выполнять только те операции с данными, на которые они настроены во время покупки. В случае незначительного изменения решаемой задачи такие системы часто оказываются неспособными их решать. В большинстве случаев закрытые системы вообще невозможно изменить, поэтому они имеют низкие цены и короткий жизненный цикл.
|
|
|
– Открытые системы подразумевают открытость для пользователя, такие системы имеют специальные средства, обычно языки программирования, предназначенные для создания дополнительных приложений, т.е. нужных пользователю функций обработки данных. Возможность расширения открытых систем позволяет использовать их и при развитии решаемых задач в будущем. Эти системы обычно дороги, но имеют большой жизненный цикл.
По функциональным возможностям ГИС можно разделить на три группы:
– инструментальные или полнофункциональные. Это мощные универсальные сетевые системы, такие как ArcInfo и ERDAS;
– настольные, или системы конечного пользователя. К этой группе относятся MapInfo, IDRISI, WinGIS, ArcView, GeoGraph;
– узкоспециализированные информационные системы.
История развития ГИС
Одна из наиболее интересных черт раннего развития ГИС, особенно в шестидесятые годы, заключается в том, что первые инициативные проекты и исследования сами были географически распределены по многим точкам, причем эти работы осуществлялись независимо, часто без упоминания и даже с игнорированием себе подобных. Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и, особенно, тематического картографирования, успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс, а также революционным достижениями в области компьютерных технологий, информатики и компьютерной графики. Особо следует отметить идеи и опыт комплексного тематического картографирования, убедительно продемонстрировавшего эффект системного использования разнохарактерных данных для извлечения новых знаний о географических объектах. Комплексность и интегративность до сих пор остается важнейшим свойством ГИС, привлекающим пользователей. Интересно, что один из первых удачных опытов использования принципа комплексирования (совмещения и наложения) пространственной данных с помощью согласованного набора карт датируется XVIII веком! Французский картограф Луи-Александр Бертье использовал прозрачные слои, накладываемые на базовую карту для показа перемещения войск в сражении под Йорктауном (Yorktown).
В истории развития ГИС можно выделить четыре основных периода:
1 Пионерский период (поздние 1950е – ранние 1970 гг.)
Первый(Пионерский) период развивался на фоне успехов компьютерных технологий. Появление электронных вычислительных машин (аббревиатура ЭВМ) в 50-х годах, цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х при одновременном часто независимом друг от друга, создании программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров, формальных методов пространственного анализа, программных средств управления базами данных.
|
|
|
Большое влияние в этот период оказывают теоретические работы в области георафии и пространственных взаимосвязей, а также становление количественных методов в географии в США, Канаде, Англии, Швеции (работы У.Гаррисона, Т.Хагерстранда, Г.Маккарти, Я.Макхарга).
Первый безусловный крупный успех становления геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады (Canada Geographic Information System, CGIS). Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается и развивается по сей день. "Отцом" ГИС Канады считается Роджер Томлинсон, под руководством которого были разработаны и реализованы многие концептуальные и технологические решения. Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета, и в получении статистических данных о земле, которые бы использовались при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно сельскохозяйственного назначения. Для этих целей требовалось создать классификацию использования земель, используя данные по сельскохозяйственной, рекреационной, экологической, лесохозяйственной пригодности земель, отразить сложившуюся структуру использования земель, включая землепользователей и землевладельцев. Наиболее узким местом проекта являлось обеспечение эффективного ввода исходных картографических и тематических данных. Для этого разработчикам ГИС Канады, не имевшим опыта по внутренней организации больших массивов пространственных данных, потребовалось создать новую технологию, ранее нигде не применявшуюся, позволяющую оперировать отдельными слоями и делать картометрические измерения. Для ввода крупноформатных земельных планов было даже спроектировано и создано специальное сканирующее устройство. Что же принципиально нового внесли создатели ГИС Канады в становление и развитие ГИС-технологий? Использование сканирования для автоматизации процесса ввода геоданных. Расчленение картографической информации на тематические слои и разработка концептуального решения о "таблицах атрибутивных данных", что позволило разделить файлы плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и файлы, содержащие тематическую (содержательную) информацию об этих объектах. Функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей и многое другое.
Большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов Говард Фишер с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС и оставались ими вплоть до начала 80-х годов. В настоящее время эти исследования продолжаются в более меньших масштабах. Программное обеспечение Гарвардской лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP. Одним из производных программных продуктов, свободно распространяемых в сети Internet, является OSU-MAP, созданный в Университете штата Огайо выходцами из Гарвардской лаборатории. Благодаря работам Гарвардской лаборатории в области компьютерного картографирования была окончательно закреплена ведущая роль, которую играют картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах.
2 Период государственных инициатив (ранние 1970 гг. – ранние 1980е гг.)
В конце 60х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования ГИС - технологий для обработки и представления данных Национальных Переписей Населения. Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой стала необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствовавших в анкетах переписи, в географические координаты таким образом, чтобы результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи.
Для этих целей Национальное Бюро Переписей США разработало комплексный подход к "географии переписей" и 1970 год - год очередной Национальной Переписи США, проводимой раз в десять лет - впервые стал годом "географически локализованной переписи" Был разработан специальный формат представления картографических данных DIME (Dual Independent Map Encoding), для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты. Алгоритмы обработки и представления картографических данных были заимствованы у разработчиков ГИС Канады и Гарвардской лаборатории и оформлены в виде программы POLYVRT, осуществляющей конвертирование адресов проживания в соответствующие координаты, описывающие графические сегменты улиц. Таким образом, в этой разработке впервые был широко использован топологический подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали также развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям: автоматизированные системы навигации системы вывоза городских отходов и мусора движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т.д. Одновременно на основе этой информации была создана серия атласов крупных городов, содержащих результаты Переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и т.д.
3 Период коммерческого развития (ранние 1980е – по настоящее время)
Еще в 1969 году Джек Денджермонд организовал Исследовательский институт экологических систем (Environmental Systems Research Institute, ESRI,Inc.), деятельность которого основывалась на методах, технологиях и идеях, разработанных в Гарвардской лаборатории и других организациях. В начале 1980-х годов был реализован знаменитый ARC/INFO.
ARC/INFO был и остается наиболее успешным воплощением идей ГИС Канады о раздельном внутреннем представлении геометрической (графической) и атрибутивной информации. Причем для хранения и работы с атрибутивной информацией в виде таблиц (INFO) был успешно применен формат стандартной реляционной системы управления базами данных, а для хранения и работы с графическими объектами в виде дуг (ARC) было разработано специальное программное обеспечение. ARC/INFO стал первым программным пакетом ГИС, который эффективно использовал пользовательские качества персональных компьютеров, в то же время он доступен для разных технических платформ и операционных сред. Первые успехи ARC/INFO были связаны с его использованием в лесном хозяйстве, в настоящее время семейство программных средств ESRI,Inc. для персональных компьютеров и рабочих станций является самым популярным в мире. Другим успешным коммерческим предприятием в области производства аппаратно-программных средств для ГИС стал и и до сих пор является Intergraph,Corp. Эта фирма была организована в 1969 году, первоначально под названием M&S Computing, бывшим сотрудником IBM Джимом Мидлоком. Первые успехи были связаны с разработкой для ВПК США систем управления ракетами в реальном времени. В 1973 фирма впервые создала мощную удаленную рабочую станцию стоимостью порядка 100 000 долларов. В активе Intergraph,Corp. и создание первой системы интерактивного картографирования для местного управления. И сейчас фирма является лидером по разработке и выпуску рабочих станций для ГИС, программного обеспечения, в том числе, пользовательского интерфейса.
4 Пользовательский период (поздние 1980е – по настоящее время)
В этот период пример нового отношения к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами для задач планирования природопользования и землеустройства. Они открыли GRASS для бесплатного публичного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрируя GRASS с другими программными продуктами. В настоящее время GRASS версии 4.1, созданная в 1993 году, включая исходные тексты программ, системную и справочную документацию, учебное пособие для пользователей, ряд наборов данных в качестве примеров, открыто распространяется в сетях Internet.
Насыщение рынка программных средств для ГИС, в особенности, предназначенных для персональных компьютеров резко увеличило область применения ГИС-технологий. Это потребовало существенных наборов цифровых геоданных, а также необходимости формирования системы профессиональной подготовки и обучения специалистов по ГИС. В наиболее развитых в геоинформационном отношении странах эти проблемы решаются в настоящее время путем формирования государственных национальных и междуниродных инициатив по разработке и созданию т.н. Инфраструктур Геопространственных Данных, включающих вопросы ГИС технологии, телекоммуникации, стандартизации данных и профессиональной подготовки. Так, например, 19 октября 1990 года в США, был опубликован Циркуляр А-16, направленный на "максимальное развитие национальных цифровых ресурсов пространственной информации, с привлечением к этой деятельности федеральных, региональных и местных органов управления, а также частного сектора. Эти национальные информационные ресурсы, взаимосвязанные с помощью единых критериев и стандартов, обеспечат распространение и эффективный обмен пространственными данными между производителями и пользователями". Для этих целей был создан Федеральный Комитет Пространственных Данных. В развитие Циркуляра А-16, 11 Апреля 1994 Президент Клинтон издал Правительственное распоряжение под названием "Координация в области получения и доступа к данным: Национальная Инфраструктура Пространственных данных" К сожалению, Россия и бывший СССР не участвовали в мировом процессе развития геоинформационных технологий вплоть до середины 1980-х годов. Тем не менее, наша страна имеет свой опыт развития геоинформационных систем и технологий.
|
|
|
