Геоинформационные системы

Материал из «Знание.Вики»
Геоинформационная система K-MINE

Геоинформацио́нная систе́ма (географическая информационная система, ГИС) — это система, способная создавать, управлять, визуализировать и анализировать данные любого типа. Она представляют собой уникальное сочетание пространственных данных с описательной информацией, что позволяет создавать карты и проводить анализ в самых различных областях. ГИС не только помогает улучшить эффективность и качество принимаемых решений, но и способствует более глубокому пониманию закономерностей и взаимосвязей между объектами в географическом контексте[1].

История становления геоинформационных систем

Новаторский период (конец 1950-х — конец 1960-х годов)

Этот период характеризуется исследованием ключевых возможностей информационных систем, накоплением практического опыта, разработкой первых масштабных проектов и теоретических трудов. В этот период произошли следующие события:

Период государственного влияния (начало 1970-х — начало 1980-х годов)

Период характеризуется созданием и развитием крупных геоинформационных проектов под покровительством государства, что соответствует названию периода. Увеличивается количество государственных институтов в области геоинформационных технологий, при снижении роли и заслуг отдельных исследователей и небольших групп[3].

В США, в научных кругах того времени, активно обсуждались вопросы применения ГИС при обработке и представлении данных национальных переписей населения (U.S. Census data). Была поставлена задача перед специалистами о разработке методики, позволяющей вести географическую «привязку» данных переписи. Главной концептуальной проблемой была задача перевода адресов проживания граждан, указанных в их анкетах, в географические координаты, для последующего формирования электронной карты страны с учётом данных переписи населения. В связи с этим перед Национальным Бюро Переписи США (U.S. Census Bureau) ставился вопрос о разработке совершенно нового подхода к переписи населения, с учётом географического проживания граждан страны. Результатом работы является перепись населения США в 1970 году, которая была проведена с учётом применения геоинформационной системы[3].

Период коммерциализации и потребления (начало 1980-х годов — настоящее время)

В этот период наблюдается расширение ассортимента программных продуктов на рынке, рост популярности настольных геоинформационных систем и увеличение области применения ГИС-технологий за счёт интеграции с базами данных. В то же время, заметно увеличилось количество непрофессиональных пользователей, что способствует развитию коммерческой сферы в области геоинформационных систем и усилению конкуренции между производителями[2].

ГИС стала важным инструментом для обмена информацией и совместной работы в различных областях человеческой деятельности. Сотни тысяч организаций по всему миру активно используют ГИС, создавая миллиарды карт, чтобы визуализировать данные, находить взаимосвязи и разрабатывать прогнозы[4].

Классификация

Классификация ГИС возможна по нескольким критериям:

Пример ГИС

По функциональным возможностям:

  • полнофункциональные ГИС — общего назначения;
  • специализированные ГИС — ориентированные на решение конкретной задачи в какой-либо предметной области;
  • информационно-справочные — системы для домашнего и информационно-справочного пользования[5].

По архитектурному принципу построения:

  • закрытые системы;
  • открытые системы.

Закрытые системы — это ГИС, ограниченные возможностями и не позволяющие расширять функционал. Они способны выполнять лишь операции, определённые на момент покупки, и при изменении задач могут стать бесполезными. Изменить закрытые системы обычно невозможно, поэтому они имеют низкую стоимость и краткий срок службы. В отличие от них, открытые системы предполагают пользовательскую открытость и возможность адаптации под требования. Они обладают специальными инструментами, такими как языки программирования, для создания дополнительных функций. Расширяемость открытых систем позволяет использовать их и в будущем, при развитии задач. Хотя эти системы более дорогие, у них долгий жизненный цикл[6].

По территориальному (пространственному) охвату:

  • глобальные, или планетарные ГИС, ориентированные на анализ, решение и прогнозирование проблем на мировом уровне;
  • общенациональные ГИС, предназначенные для решения задач отдельных стран или наций;
  • государственные для решения пограничных и межгосударственных задач;
  • региональные, нацеленные на решение задач отдельных областей, регионов, штатов;
  • локальные ГИС для решения задач малых городов, сёл, посёлков и других местностей[7].

По проблемной ориентации:

  • экологические и природопользовательские;
  • отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.);
  • инженерные (проектирование сооружений);
  • инвентаризационные;

По тематике:

  • социально-экономические;
  • кадастровые;
  • инвентаризационные;
  • туристические[5].

По способу организации пространственных данных:

  • векторные (объекты описываются значениями координат);
  • растровые (объекты представляются в виде растрового изображения);
  • гибридные, или интегральные (совмещающие два вида данных)[9].

Геоинформационный проект

Этапы разработки геоинформационного проекта:

Геоинформационная система (концептуальный документ)

В ходе работы над геоинформационным проектом можно выделить следующие этапы:

1. Определение задачи. На этом этапе определяется задача, которая ставится перед пользователем . Часто возникает необходимость сбора и систематизации большого объёма информации о пространственных объектах, процессах и явлениях, либо манипулирования имеющимися пространственными данными.

2. Проведение анализа существующих методик и разработок для решения поставленной задачи. Потребитель информации приходит к выводу о необходимости использования геоинформационных технологий для решения задачи.

3. Консультации. Заключаются в обращении за помощью к специалистам по геоинформационным технологиям, проведении технических семинаров и консультаций. Задача уточняется и разрабатывается календарный план работ.

4. Выбор окончательной технологии выполнения работ. Возможно дополнительное обучение исполнителей и разработка специализированных программ.

5. Выполнение работ.

6. Презентация промежуточных результатов заказчику.

7. Устранение замечаний.

8. Предоставление готового продукта.

9. Запуск проекта и отладка.

10. Решение проблемных вопросов[10].

Представление данных

Информация в геоинформационных системах обычно описывает реальные объекты, такие как дороги, здания, водоёмы, лесные массивы. Реальные объекты можно разделить на две абстрактные категории: дискретные (дома, территориальные зоны) и непрерывные (рельеф, уровень осадков, среднегодовая температура). Для представления этих двух категорий объектов используются векторные и растровые данные[11].

Растровые данные хранятся в виде наборов величин, упорядоченных в форме прямоугольной сетки. Ячейки этой сетки называются пикселями. Наиболее распространённым способом получения растровых данных о поверхности земли является дистанционное зондирование, проводимое с помощью спутников. Хранение растровых данных может осуществляться в графических форматах, например TIFF или JPEG[11].

Векторные данные обычно имеют намного меньший размер, чем растровые. Их легко трансформировать и проводить над ними бинарные операции. Векторные данные позволяют проводить различные типы пространственного анализа, например, поиск кратчайшего пути в дорожной сети. Наиболее распространёнными типами векторных объектов являются точки, полилинии, многоугольники. Если геометрия объекта состоит из одного узла, то он считается точечным объектом. Если геометрия объекта состоит из двух и более узлов, и при этом первый и последний узлы не совпадают, то это линейный объект. Если объект образован тремя или более узлами, при этом первый и последний узлы совпадают, то это полигональный объект. Выбор точек для представления объектов реального времени зависит от используемого масштаба, удобства и типа объектов. Точечный объект представляет собой один узел, в то время как полилиния состоит из двух и более узлов. Полилиния представляет собой путь, который проходит через каждый узел. При соединении двух узлов образуется линия, а при соединении нескольких таких линий — полилиния. Полилинии используются для отображения линейных объектов, таких как дороги, реки, горизонтали и другие. К геометрии полилиний могут предъявляться дополнительные требования[12].

Семантические данные (атрибуты) могут быть привязаны к векторным объектам в ГИС. Например, на карте зонирования к площадным объектам могут быть привязаны характеристики типа зоны. Пользователь определяет структуру и типы данных. На основе численных значений, присвоенных векторным объектам, можно строить тематические карты, где эти значения обозначены разными цветами или размерами окружностей[13].

Анализ геопространственных данных

Геопространственными данными являются любые данные, связанные с определёнными местами на поверхности земли или содержащие информацию о них, включая трёхмерную информацию. Геопространственный анализ включает сбор, отображение, обработку и анализ изображений, а также использование глобальной системы определения местоположения (GPS), спутниковых изображений и данных за прошлые периоды[14].​

Перспективными направлениями в ГИС являются:

— разработка архитектуры и методов проектирования баз геопространственных данных и систем управления ими;

— использование методик анализа данных дистанционного зондирования земли для целей верификации и обновления пространственно-временной информации о метагеосистемах;

— разработка систем рациональной организации и использования ГИС-технологий, их интеграция в производственные и управленческие процессы для обоснования проектных решений по оптимизации метагеосистем;

— реализация геопортальных решений как части инфраструктуры пространственных данных, направленных на визуализацию и распространение данных о метагеосистемах широкому кругу пользователей посредством сети Интернет[15].

Решение стратегических задач развития государства и общества основано на тотальном внедрении географической информации в практику принятия управленческих решений в землеустройстве, природопользовании, территориальном планировании, управлении землепользованием и других. В условиях становления и развития цифровой экономики ключевой задачей является разработка фундаментальных подходов проектирования проблемно-ориентированных геоинформационных систем для поддержки принятия управленческих решений в области анализа, моделирования и прогнозирования функционирования метагеосистем, планирования высокоэффективных культурных ландшафтов[15].

Сферы применения ГИС

Географическая информационная система GvSIG

В настоящее время для эффективного и оперативного управления ГИС могут использовать подразделения различных министерств, местные администрации, коммунальные службы, природоохранные организации, здравоохранение, транспортные, торговые и финансовые предприятия. Подразделения различных министерств (например, МЧС), являясь серьёзными организациями, уже используют специфичные или общедоступные ГИС (например, ГИС «Интеграция», «Географ», «Панорама»). С помощью ГИС на электронные карты наносятся очаги пожаров, зоны затоплений и разрушений, которые помогают принимать эффективные решения в различных ситуациях[16].

Задачи управления муниципальным хозяйством одна из крупнейших областей приложений ГИС. В любой сфере деятельности местной администрации (обследование земель, управление землепользованием, управление ресурсами, учёт состояния собственности и дорожных магистралей) применимы ГИС. При этом достаточно одной топографической основы, а каждый отдел администрации может через базу данных высвечивать свои объекты на данной территории (отдел планирования и развития территории отображает строящиеся объекты или объекты, на которых проводятся реконструкции, управление по физической культуре и спорту отображает спортивные объекты и тому подобное)[16].

Производители геоинформационных систем

Самой популярной ГИС в России является «ГИС Географ / GeoDraw». Она разрабатывается с 1992 года и имеет более 2700 инсталляций. Разработчики взяли за основу систему IDRISI, реализовав в ней те же функции, что и у этой ГИС, но сделали это лучше. ГИС «Географ» поддерживает клиент-серверные приложения, имеет двуязычный русско-английский интерфейс, работает с базами данных через ODBC. Копии «Географ» работают во многих странах Европы и Северной Америки. Компания также имеет очень хороший сайт, предоставляющий исчерпывающую информацию о её продуктах[17].

ГИС «Панорама» является универсальной геоинформационной системой, имеющей средства создания и редактирования цифровых карт и планов городов, обработки данных дистанционного зондирования земли, выполнения различных измерений и расчётов, оверлейных операций, построения 3D моделей, обработки растровых данных, средства подготовки графических документов в цифровом и печатном виде, а также инструментальные средства для работы с базами данных[18].

ГИС «Парк» была создана в 1991 году и имеет около 600 инсталляций. Особенность ГИС — использование экспертных систем для прогнозирования пространственных явлений ГИС Sinteks Abris. Последнее время активность компании резко упала из-за недостатка ресурсов для разработки новых продуктов[17].

ГИС ObjectLand поддерживает полный набор операций над табличными данными. Аналитические операции над пространственными данными включают получение тематических пользовательских представлений базовых карт, поиск и выделение объектов на карте, получение пространственных оценок на группах объектов, удовлетворяющих заданным критериям[19].

ГИС «ИнГЕО» была разработана в Уфе, и теперь первая фаза муниципальной информационной системы введена в эксплуатацию в этом городе. В России ГИС «ИнГЕО» широко применяется во многих городах и областях, таких как Самара, Братск, Екатеринбург, Оренбург, Челябинская область, Башкирия и другие, с общим числом более 300 предприятий. ГИС «ИнГЕО» позволяет создавать топологически правильные цифровые карты, обеспечивает регламентированный доступ к единой информационно-картографической базе. Данные системы хранятся на центральном компьютере-сервере, который подключён к компьютерной сети, либо на нескольких серверах, обеспечивая корректный обмен обновлёнными данными[20].

Литература

  • Новосельский К., Чумичев П. О. Применение геоинформационных систем в отраслях производственной деятельности // Молодой ученый : Журнал. — 2017. — № 15.
  • Журкин И. Г., Шайтура С. В. Геоинформационные системы. — М.: КУДИЦ-Пресс, 2009. — 272 с.
  • Польшакова Н. В., Коломейченко А. С., Яковлев А. С. Информационные системы в экономике. — М.: Буки Веди, 2016. — 480 с.
  • Польшакова Н.В., Котова Е.И., Черникова К.С. Использование геоинформационных технологий в мониторинге сельскохозяйственных земель // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук : Журнал. — 2014.

Примечания

  1. Что такое ГИС?. Esri. Дата обращения: 28 марта 2024.
  2. 2,0 2,1 Николаева О. Г. Геоинформационные системы (ГИС). — Иркутск: ИГУ, 211. — 127 с.
  3. 3,0 3,1 История развития ГИС. GIStechnik. Дата обращения: 31 марта 2024.
  4. История ГИС. Esri. Дата обращения: 31 марта 2024.
  5. 5,0 5,1 Карчагина Л.П. Географические и земельно-информационные системы. — Майкоп, 2016. — 151 с.
  6. Кащенко Н.А., Попов Е.В., Чечин А.В. Геоинформационные системы. — Нижний Новгород: ННГАСУ, 2012. — 130 с.
  7. Данные. Исполнители. Методы. megalektsii.ru. Дата обращения: 29 марта 2024.
  8. Типы ГИС. textbook.tou.edu.kz. Дата обращения: 29 марта 2024.
  9. Введение в геоинформационные системы. Векторные, растровые данные. GIS-Lab. Дата обращения: 31 марта 2024.
  10. Карманов А.Г., Кнышев А.И., Елисеева В.В. Геоинформационные системы территориального управления. — СПб.: ИТМО, 2015. — 121 с.
  11. 11,0 11,1 Представление данных в ГИС (Слои). Департамент информатизации и связи Краснодарского края. Дата обращения: 31 марта 2024.
  12. Векторные данные. Документация QGIS 2.8. Дата обращения: 31 марта 2024.
  13. Данные ГИС. Хранение. Форматы. stydopedya.ru. Дата обращения: 31 марта 2024.
  14. Геопространственная информация. ITU. Дата обращения: 1 апреля 2024.
  15. 15,0 15,1 Ямашкин А. А., Зарубин О. А., Ямашкин С. А. Цифровые технологии анализа геопространственных данных для целей устойчивого развития региона: опыт Мордовского университета // Московский экономический журнал : Журнал. — 2022. — № 5. — С. 335.
  16. 16,0 16,1 Анпилогов В.Н., Карцан И.Н. Основные области применения геоинформационных систем // Решетневские чтения : Журнал. — 2011. — С. 160.
  17. 17,0 17,1 Российские геоинформационные системы и геомодули. OpenGL.org.ru. Дата обращения: 1 апреля 2024.
  18. Геоинформационные технологии Панорама. МИИГАиК. Дата обращения: 1 апреля 2024.
  19. Розенберг И.Н., Святов Д.С., Гитис С.А. Геоинформационная система ObjectLand // Известия Южного федерального университета. Технические науки : Журнал. — 2000.
  20. Геоинформационные системы и ГИС «ИнГЕО». ГеоИнфоГрад. Дата обращения: 1 апреля 2024.
WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!