Геоинформационные системы

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.

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:

• разработка электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 1950-х годах;
• появление дигитайзеров, плоттеров, крупных сканеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 1960-х годах;
• разработка программных алгоритмов и процедур для графического представления информации на экранах и с помощью плоттеров;
• создание методов пространственного анализа;
• разработка программных средств для управления базами данных.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

По проблемной ориентации:

• экологические и природопользовательские;

• отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.);

• инженерные (проектирование сооружений);

• имущественные (для обработки кадастровых данных);

• инвентаризационные;

• для тематического и статистического картографирования.

По тематике:

• социально-экономические;

• кадастровые;

• инвентаризационные;

• туристические.

По способу организации пространственных данных:

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.​

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.