ГИС - это современные геоинформационные мобильные системы, которые обладают возможностью отображать свое местоположение на карте. В основе этого важного свойства лежит использование двух технологий: геоинформационной и Если мобильное устройство имеет встроенный GPS-приемник, то с помощью такого прибора можно определить его местоположение и, следовательно, точные координаты самой ГИС. К сожалению, геоинформационные технологии и системы в русскоязычной научной литературе представлены небольшим количеством публикаций, вследствие этого практически полностью отсутствует информация об алгоритмах, лежащих в основе их функциональных возможностей.

Классификация ГИС

Подразделение геоинформационных систем происходит по территориальному принципу:

1. Глобальная ГИС используется для предотвращения техногенных и природных катаклизмов с 1997 года. Благодаря этим данным можно за относительно короткое время спрогнозировать масштабы катастрофы, составить план ликвидации последствий, оценить нанесенный ущерб и людские потери, а также организовать гуманитарные акции.
2. Региональная геоинформационная система разработана на муниципальном уровне. Она позволяет местным властям прогнозировать развитие определенного региона. Данная система отражает практически все важные сферы, например инвестиционные, имущественные, навигационно-информационные, правовые и др. Также стоит отметить, что благодаря использованию данных технологий появилась возможность выступать гарантом безопасности жизнедеятельности всего населения. Региональная геоинформационная система в настоящее время используется достаточно эффективно, способствуя привлечению инвестиций и стремительному росту экономики района.

Каждая из вышеописанных групп имеет определенные подвиды:

• В глобальную ГИС входят национальные и субконтинентальные системы, как правило, с государственным статусом.
• В региональную - локальные, субрегиональные, местные.

Сведения о данных информационных системах можно найти в специальных разделах сети, которые называются геопорталами. Они размещаются в открытом доступе для ознакомления без каких-либо ограничений.

Принцип работы

Географические информационные системы работают по принципу составления и разработки алгоритма. Именно он позволяет отображать движение объекта на карте ГИС, включая перемещение мобильного устройства в пределах локальной системы. Чтобы изобразить данную точку на чертеже местности, необходимо знать, по крайней мере, две координаты - X и Y. При отображении движения объекта на карте потребуется определить последовательность координат (Xk и Yk). Их показатели должны соответствовать разным моментам времени локальной системы ГИС. Это является основой для определения местонахождения объекта.

Данную последовательность координат можно извлечь из стандартного NMEA-файла GPS-приемника, выполнившего реальное движение на местности. Таким образом, в основе рассматриваемого здесь алгоритма лежит использование данных NMEA-файла с координатами траектории объекта по определенной территории. Необходимые данные можно получить также в результате моделирования процесса движения на основе компьютерных экспериментов.

Алгоритмы ГИС

Геоинформационные системы построены на исходных данных, которые берутся для разработки алгоритма. Как правило, это набор координат (Xk и Yk), соответствующий некоторой траектории объекта в виде NMEA-файла и цифровой карты ГИС на выбранном участке местности. Задача заключается в разработке алгоритма, отображающего движение точечного объекта. В ходе данной работы были проанализированы три алгоритма, лежащих в основе решения поставленной задачи.

• Первый алгоритм ГИС - это анализ данных NMEA-файла с целью извлечения из него последовательности координат (Xk и Yk),
• Второй алгоритм используется для вычисления путевого угла объекта, при этом отсчет параметра выполняется от направления на восток.
• Третий алгоритм - для определения курса объекта относительно стран света.

Обобщенный алгоритм: общее понятие

Обобщенный алгоритм отображения движения точечного объекта на карте ГИС включает три указанных ранее алгоритма:

• анализ данных NMEA;
• вычисление путевого угла объекта;
• определение курса объекта относительно стран всего земного шара.

Географические информационные системы с обобщенным алгоритмом оснащены основным управляющим элементом - таймером (Timer). Стандартная задача его заключается в том, что он позволяет программе генерировать события через определенные промежутки времени. С помощью такого объекта можно устанавливать требуемый период для выполнения набора процедур или функций. Например, для многократно выполняемого отсчета интервала времени в одну секунду надо установить следующие свойства таймера:

• Timer.Interval = 1000;
• Timer.Enabled = True.

В результате каждую секунду будет запускаться процедура считывания координат X, Y объекта из NMEA-файла, вследствие чего данная точка с полученными координатами отображается на карте ГИС.

Принцип работы таймера

Использование геоинформационных систем происходит следующим образом:

1. На цифровой карте отмечаются три точки (условное обозначение - 1, 2, 3), которые соответствуют траектории движения объекта в различные моменты времени tk2, tk1, tk. Они обязательно соединены сплошной линией.
2. Включение и выключение таймера, управляющего отображением передвижения объекта на карте, осуществляется с помощью кнопок, нажимаемых пользователем. Их значение и определенную комбинацию можно изучить по схеме.

NMEA-файл

Опишем кратко состав NMEA-файла ГИС. Это документ, записанный в формате ASCII. По сути, он представляет собой протокол для обмена информацией между GPS-приемником и другими устройствами, например ПК или КПК. Каждое сообщение NMEA начинается со знака $, за которым следует двухсимвольное обозначение устройства (для GPS-приемника — GP) и заканчивается последовательностью \r\n — символом перевода каретки и перехода на новую строку. Точность данных в уведомлении зависит от вида сообщения. Вся информация содержится в одной строке, причем поля разделяются запятыми.

Для того чтобы разобраться, как работают геоинформационные системы, вполне достаточно изучить широко используемое сообщение типа $GPRMC, которое содержит минимальный, но основной набор данных: местоположение объекта, его скорость и время.
Рассмотрим на определенном примере, какая информация в нем закодирована:

• дата определения координат объекта — 7 января 2015 г.;
• всемирное время UTC определения координат — 10h 54m 52s;
• координаты объекта — 55°22.4271" с.ш. и 36°44.1610" в.д.

Подчеркнем, что координаты объекта представлены в градусах и минутах, причем последний показатель дается с точностью до четырех знаков после запятой (или точки как разделителя целой и дробной частей вещественного числа в формате USA). В дальнейшем понадобится то, что в NMEA-файле широта местоположения объекта находится в позиции после третьей запятой, а долгота — после пятой. В конце сообщения передается после символа "*" в виде двух шестнадцатеричных цифр — 6C.

Геоинформационные системы: примеры составления алгоритма

Рассмотрим алгоритм анализа NMEA-файла с целью извлечения набора координат (X и Yk), соответствующих объекта. Он составляется из нескольких последовательных шагов.

Определение координаты Y объекта

Алгоритм анализа данных NMEA

Шаг 2. Найти позицию третьей запятой в строке (q).

Шаг 3. Найти позицию четвертой запятой в строке (r).

Шаг 4. Найти, начиная с позиции q, символ десятичной точки (t).

Шаг 5. Извлечь один символ из строки, находящийся в позиции (r+1).

Шаг 6. Если этот символ равен W, то переменная NorthernHemisphere получает значение 1, иначе -1.

Шаг 7. Извлечь (г—+2) символов строки, начиная с позиции (t-2).

Шаг 8. Извлечь (t-q-3) символов строки, начиная с позиции (q+1).

Шаг 9. Преобразовать строки в вещественные числа и вычислить координату Y объекта в радианной мере.

Определение координаты X объекта

Шаг 10. Найти позицию пятой запятой в строке (n).

Шаг 11. Найти позицию шестой запятой в строке (m).

Шаг 12. Найти, начиная с позиции n, символ десятичной точки (p).

Шаг 13. Извлечь один символ из строки, находящийся в позиции (m+1).

Шаг 14. Если этот символ равен "E", то переменная EasternHemisphere получает значение 1, иначе -1.

Шаг 15. Извлечь (m-p+2) символов строки, начиная с позиции (p-2).

Шаг 16. Извлечь (p-n+2) символов строки, начиная с позиции (n+1).

Шаг 17. Преобразовать строки в вещественные числа и вычислить координату X объекта в радианной мере.

Шаг 18. Если NMEA-файл не прочитан до конца, то перейти к шагу 1, иначе перейти к шагу 19.

Шаг 19. Закончить алгоритм.

На шаге 6 и 16 данного алгоритма используются переменные NorthernHemisphere и EasternHemisphere для численного кодирования местоположения объекта на Земле. В северном (южном) полушарии переменная NorthernHemisphere принимает значение 1 (-1) соответственно, аналогично в восточном EasternHemisphere - 1 (-1).

Применение ГИС

Применение геоинформационных систем широко распространено во многих областях:

• геологии и картографии;
• торговли и услугах;
• кадастре;
• экономике и управлении;
• обороны;
• инженерии;
• образовании и др.

Географическая информационная система (ГИС) (англ. Geographic Information System, GIS) - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственных данных.

Пространственные данные представляют собой данные о пространственных объектах в цифровой форме.

По территориальному охвату различают глобальные (планетарные) ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования: городские ГИС, или муниципальные ГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS), туристические и т.д.

Интегрированные ГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений данных дистанционного зондирования в единой интегрированной среде.Технология ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных, такими, как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач.Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС автоматизирует процедуру анализа и прогноза.

ГИС включает в себя основные составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные

Аппаратные средства в общем случае представляют собой персональный компьютер либо отдельный, либо включенный в компьютерную сеть.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Основными компонентами программного обеспечения являются: средства для ввода и географической информацией, СУБД, инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации; графический пользовательский

Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных.

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми.

В векторной модели информация о точках, линиях кодируется и хранится в виде набора координат X,Y (в современных ГИС часто добавляется третья пространственная координата Z и четвертая, например, временная). Местоположение точки (точечного объекта), например, Приметного камня, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат.

Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как плотность населения или доступность объектов.

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных.

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги или километровый столб на магистрали и т.п.

При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием.

С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает клиент туристической компании или находится нужная вам организация, памятное место где произошло историческое событие и имеющуюся об этом информацию, по какому аршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома и т.д.

Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниях заработать миллионы долларов.

Пример

На создание туристско-ориентированной геоинформационной системы города Пинава (Pinawa) и окружающих его территорий (Канада) было затрачено $82 500. За 3 года система принесла $5 000 000 дохода.

На сегодняшний день туристический бизнес стран СНГ не может похвастаться огромными успехами области ГИС, некоторые результаты имеют центральные города Москва и Санкт-Петербург.

Информация, однако, там представлена в одном ракурсе – электронная карта без привязки к реальному времени, то есть нельзя найдя на карте Большой театр тут же получить список сегодняшних спектаклей, фотографию фасада или, хотя бы, ссылки на его официальный сайт.

В настоящее время в мире ГИС тесно связываются со спутниковыми технологиями для навигации (определение местоположения пользователя на электронной карте).

Подобные системы за рубежом устанавливаются для туристических операторов экстремального туризма.

Пример использования

В ГИС можно ввести карту на которой будут нанесены самые крупные курорты, с которыми сотрудничает фирма, ввести планы этих территорий, здания, информацию о качестве обслуживания, фотографии номеров, пляжей, названия оригинальных блюд местной колоритной кухни и др. Обеспечив через Интернет доступ к такой ГИС турфирма, либо курортный город будут иметь огромное преимущество перед другими продавцами этого вида услуг. Или можно разместить фрагмент аэорофотоснимка исторической местности, на котором отмечены интересные места. При клике мышкой по отмеченным местам пользователь имеет возможность получить исчерпывающую информацию по данному объекту с текстом и фотографиями.

Информатизация коснулась сегодня всех сторон жизни общества, и трудно, пожалуй, назвать какую-либо сферу человеческой деятельности - от обучения в школе до высокой государственной политики, где бы не ощущалось ее мощное воздействие.

Информатика «дышит в затылок» всем наукам о Земле, догоняя и увлекая их за собой, преобразуя, а порой полностью порабощая в стремлении к бесконечному компьютерному совершенству. Ученые уже не мыслят сегодня своей работы без компьютеров и баз цифровой информации. В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы (ГИС) , причем слово «географические» в данном случае означает «пространственность» и «территориальность», а еще и комплексность географического подходам.

ГИС - это аппаратно-программный и одновременно человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение данных. Географические информационные системы отличаются от других информационных систем тем, что все их данные обязательно пространственно координированы, т. е. привязаны к территории, к географическому пространству. ГИС используют при решении всевозможных научных и практических задач. ГИС помогают анализировать и моделировать любые географические ситуации, составлять прогнозы и управлять процессами, происходящими в окружающей среде. ГИС применяются для исследования всех тех природных, общественных и природно-общественных объектов и явлений, которые изучают науки о Земле и смежные с ними социально-экономические науки, а также картография, дистанционное зондирование. В то же время ГИС - это комплекс аппаратных устройств и программных продуктов (ГИС-оболочек), причем важнейший элемент этого комплекса - автоматические картографические системы.

Структуру ГИС обычно представляют как систему информационных слоев. Условно можно рассматривать эти слои в виде «слоеного пирога» или этажерки, на каждой полочке которой хранится карта или цифровая информация по определенной теме.

В процессе анализа эти слои «снимают с полочек», рассматривают по отдельности или совмещают в разных комбинациях, анализируют и сопоставляют между собой. Для какого-то одного заданного пункта или ареала можно получить данные по всем слоям сразу, но главное - появляется возможность получать производные слои. Одно из важнейших свойств ГИС как раз в том и состоит, что на основе имеющейся информации они способны порождать новую производную информацию.

Ресурсные ГИС - один из наиболее распространенных видов ГИС в науках о Земле. Они предназначены для инвентаризации, оценки, охраны и рационального использования ресурсов, для прогноза результатов их эксплуатации. Чаще всего для их формирования используют уже имеющиеся тематические карты, которые цифруют и вводят в базы данных в виде отдельных информационных слоев. Кроме картографических материалов в ГИС включают данные многолетних наблюдений, статистические сведения, и др. Примером может служить «ГИС — », созданная странами черноморского бассейна. Этот бассейн с разнообразной морской жизнью, обильными рыбными ресурсами, теплыми песчаными пляжами и неповторимыми по красоте прибрежными ландшафтами, привлекающими туристов, в последние десятилетия испытывает катастрофическое ухудшение экологической обстановки. Это резко сокращает рыбные ресурсы, снижает рекреационный потенциал, ведет к деградации ценнейших прибрежных водно-болотных угодий. Для централизованного принятия срочных мер по спасению Черного моря страны региона разработали «Программу по спасению Черного моря». Важной частью этой программы стало создание ресурсно-экологической «ГИС — Черное море». Эта ГИС выполняет две функции - моделирование и информирование о в целом и отдельных компонентах его среды. Информация необходима для проведения научных исследований в акватории и прилегающей части черноморского бассейна и для принятия решений по охране и защите этой уникальной акватории. «ГИС — Черное море» содержит около 2000 карт. Они заключены в семь тематических блоков: география, биология, метеорология, физическая океанография, химическая океанография, биология, рыбные ресурсы.

Геоинформационное картографирование

Взаимодействие геоинформатики и картографии стало основой для формирования нового направления - геоинформационного , т. е. автоматизированного моделирования и картографирования объектов и явлений на основе ГИС.

С внедрением ГИС традиционная картография испытала кардинальную перестройку. Ее можно сравнить разве что с теми изменениями, которые сопровождали переход от рукописных карт к печатным полиграфическим оттискам. Картографы прошлых эпох в самых смелых фантазиях не могли предвидеть, что вместо гравирования на литографском камне можно будет вычерчивать карту, водя курсором по экрану компьютера. А в наши дни геоинформационное картографирование почти полностью заменило традиционные методы составления и издания карт.

Программно-управляемое картографирование заставляет по-новому взглянуть на многие традиционные проблемы. Принципиально изменился выбор математической основы и компоновки карт, компьютерные карты можно достаточно быстро переводить из одной проекции в другую, свободно масштабировать, менять «нарезку» листов, вводить новые изобразительные средства (например, мигающие или перемещающиеся по карте знаки), использовать для генерализации математические фильтры и сглаживающие функции и т. п. Трудоемкие прежде операции подсчета длин и площадей, преобразование карт или их совмещение стали рутинными процедурами. Возникла электронная картометрия. Создание и использование карт стало единым процессом, в ходе компьютерной обработки изображения постоянно трансформируются, переходят из одной формы в другую.

ГИС-технологии породили еще одно новое направление - оперативное картографирование, т. е. создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабе времени. Появилась возможность быстро, а точнее сказать, своевременно информировать пользователей и воздействовать на ход процесса. Иначе говоря, при картографировании в реальном времени поступающая информация немедленно обрабатывается и составляются карты для оценки, мониторинга, управления, контроля за процессами и явлениями, изменяющимися в том же темпе.

Оперативные компьютерные карты предупреждают (сигнализируют) о неблагоприятных или опасных процессах, позволяют следить за их развитием, давать рекомендации и прогнозировать развитие ситуаций, выбирать варианты стабилизации или изменения хода процесса. Такие ситуации создаются, например, при возникновении в тайге , когда приходится оперативно следить за их распространением и быстро принимать меры по ликвидации пожара. В период таяния снегов и во время катастрофических ливней приходится отслеживать разливы рек и наводнения, а в чрезвычайных ситуациях - изменения экологического состояния территории. В период ликвидации Чернобыльской аварии картографы день и ночь не отходили от компьютеров, составляя оперативные карты перемещения облаков радиоактивного загрязнения над территориями, прилегающими к очагу катастрофы. Так же ведут слежение за развитием политических событий и военными действиями в горячих точках планеты. Исходные данные для оперативного картографирования - это аэро- и космические снимки, непосредственные наблюдения и замеры, статистические материалы, результаты опросов, переписей, референдумов и др. Огромные возможности и порой неожиданные эффекты дают картографические анимации. Модули анимационных программ способны перемещать карты или трехмерные диаграммы по экрану, менять скорость демонстрации, передвигать отдельные знаки, заставлять их мигать и вибрировать, менять окраску и освещенность карты, «подсвечивать» или «затенять» отдельные участки изображения и т. п. Например, на карте меняется цвет районов, подверженных опасности: «безопасная» голубоватая окраска ледников постепенно переходит в розоватую, а потом в ярко-красную, пунцовую, что означает: опасно, возможен сход лавин! Совершенно необычные для картографии эффекты создают панорамы, изменения перспективы, масштабов частей изображения (можно делить «наплывы» и удалять объекты), иллюзии движения над картой (выполнять «облет» территории), в том числе с разной скоростью. В обозримом будущем перспективы развития картографии в науках о Земле связываются, прежде всего, и почти целиком с геоинформационным картографированием, когда отпадает необходимость готовить печатные тиражи карт: по запросу можно будет всегда в режиме реального времени получить на экране компьютера изображение изучаемого объекта или явления. Некоторые картографы полагают, что внедрение электронных технологий «означает конец трехсотлетнего периода картографического черчения и издания печатной картографической продукции». Взамен карт и атласов пользователь сможет затребовать и сразу получить все необходимые данные в машиночитаемом или визуализированном виде. И даже само понятие «атлас» предлагается пересмотреть.

Применение ГИС для решения различных задач, в разных организационных схемах и с разными требованиями, обуславливает разные подходы к процессу проектирования ГИС.

Выделяют пять основных этапов процесса проектирования ГИС.

1. Анализ системы принятия решений. Процесс начинается с определения всех типов решений, для принятия которых требуется информация. Должны быть учтены потребности каждого уровня и функциональной сферы.

2. Анализ информационных требований. Определяется, какой тип информации нужен для принятия каждого решения.

3. Агрегирование решений, т.е. группировка задач, в которых для принятия решений требуется одна и та же или значительно перекрывающаяся информация.

4. Проектирование процесса обработки информации. На данном этапе разрабатывается реальная система сбора, хранения, передачи и модификации информации. Должны быть учтены возможности персонала по использованию вычислительной техники.

5. Проектирование и контроль над системой. Важнейший этап - это создание и воплощение системы. Оценивается работоспособность системы с разных позиций, при необходимости осуществляется корректировка. Любая система будет иметь недостатки, и поэтому её необходимо делать гибкой и приспособляемой.

Геоинформационные технологии призваны автоматизировать многие трудоёмкие операции, ранее требовавшие больших временных, энергетических, психологических и других затрат от человека. Однако разные этапы технологической цепочки поддаются большей или меньшей автоматизации, что в значительной степени может зависеть от правильной постановки исходных задач.

Прежде всего, это формулирование требований к используемым информационным продуктам и выходным материалам, получаемым в результате обработки. Сюда можно отнести требования к распечатке карт, таблиц, списков, документов; к поиску документов и т.д. В результате должен быть создан документ с условным названием «Общий список входных данных».

Следующий шаг - определение приоритетов, очерёдности создания и основных параметров (территориального охвата, функционального охвата и объёма данных) создаваемой системы. Далее устанавливают требования к используемым данным с учётом максимальных возможностей их применения.

ЛЕКЦИЯ 10. КОНЦЕПЦИЯ ГИС И ТРЕБОВАНИЯ

Виды ГИС

Географическая информационная система (ГИС) - это система для управления географической информацией, ее анализа и отображения. Географическая информация представляется в виде серий наборов географических данных, которые моделируют географическую среду посредством простых обобщенных структур данных. ГИС включает наборы инструментальных средств для работы с географическими данными.

Географическая информационная система поддерживает несколько видов для работы с географической информацией:

1. Вид Базы Геоданных: ГИС - это пространственная база данных, содержащая наборы данных, которые представляют географическую информацию в контексте общей модели данных ГИС (векторные объекты, растры, топология, сети и т.д.)

2. Вид Геовизуализации: ГИС - это набор интеллектуальных карт и других видов, которые показывают пространственные объекты и отношения между объектами на земной поверхности. Могут быть построены разные виды карт, и они могут использоваться как “окна в базу данных” для поддержки запросов, анализа и редактирования информации.

3. Вид Геообработки: ГИС - это набор инструментов для получения новых наборов географических данных из существующих наборов данных. Функции обработки пространственных данных (геообработки) извлекают информацию из существующих наборов данных, применяют к ним аналитические функции и записывают полученные результаты в новые производные наборы данных.

В программном обеспечении ESRI ® ArcGIS ® эти три вида ГИС представлены каталогом (ГИС как коллекция наборов геоданных), картой (ГИС как интеллектуальный картографический вид) и набором инструментов (ГИС как набор инструментов для обработки пространственных данных). Все они являются неотъемлемыми составляющими полноценной ГИС и в большей или меньшей степени используются во всех ГИС-приложениях.

Рис. 1.

Вид базы геоданных

ГИС - это особый тип базы данных об окружающем мире - географическая база данных (база геоданных). В основе ГИС лежит структурированная база данных, которая описывает мир в географическом аспекте.

Приведем краткий обзор некоторых ключевых принципов, важных для понимания баз геоданных.

Географическое представление

Создавая дизайн базы геоданных ГИС, пользователи определяют, как будут представляться разные пространственные объекты. Например, земельные участки обычно представляются как полигоны, улицы - как центральные линии, скважины - как точки, и т.д. Эти объекты группируются в классы объектов, в которых каждый набор имеет единое географическое представление.

Каждый набор данных ГИС дает пространственное представление какого-то аспекта окружающего мира, включая:

· Упорядоченные наборы векторных объектов (наборы точек, линий и полигонов)

· Наборы растровых данных, такие как цифровые модели рельефа или изображения

· Пространственные сети

· Топография местности и другие поверхности

· Наборы данных геодезической съемки

· Прочие типы данных, такие как адреса, названия мест, картографическая информация

Обзор:

Подобно тому, как мы пользуемся текстовым редактором для работы с наборами слов и подготовки документов, мы можем использовать ГИС-приложение для работы с наборами пространственной информации на компьютере. ГИС расшифровывается как «Географическая Информационная Система ». Любая ГИС состоит из следующих взаимосвязанных компонентов:

• Цифровые данные – географическая информация, которую Вы просматриваете и анализируете, используя аппаратное и программное обеспечение.
• Аппаратное обеспечение – компьютеры, используемые для хранения, отображения и обработки данных.
• Программное обеспечение – компьютерные программы, исполняемые на аппаратном обеспечении и позволяющие работать с цифровыми данными. Программное обеспечение, являющееся частью геоинформационной системы, называется ГИС-приложением.

С ГИС-приложением Вы можете открывать цифровые карты на своем компьютере, создавать новую пространственную информацию и добавлять ее на карту, подготавливать карты для печати, отвечающие Вашим потребностям, и выполнять пространственный анализ.

Ниже приведен простой пример использования ГИС. Представьте, что предприятие здравоохранения отметило место проживания и дату визита для каждого проходящего лечение пациента:

Из таблицы видно, что случаи кори приходятся на январь и февраль. Местоположение дома каждого пациента отмечено в таблице в виде широты и долготы. Используя эти данные в ГИС-приложении, мы можем быстро узнать больше деталей о закономерностях распространения болезни:

Рисунок 1: Пример, показывающий записи о пациентах в ГИС-приложении. Легко увидеть, что пациенты, больные корью, живут близко друг от друга.

Подробнее о ГИС:

ГИС – это относительно новая область знаний, берущая свое начало в 1970-х годах. Раньше компьютеризированные системы были доступны только для крупных компаний и университетов, располагающих дорогостоящим оборудованием. Сегодня любой обладатель персонального компьютера или ноутбука может пользоваться ГИС-приложениями. Со временем ГИС-приложения также стали более простыми в использовании – раньше требовалось длительное обучение, а теперь любой человек может приступить к использованию ГИС для повседневных нужд. Как описано выше, ГИС – это больше, чем просто программное обеспечение, они охватывают все аспекты управления и использования цифровых геоданных. В предложенном руководстве мы будем говорить главным образом о ГИС-приложениях.

Что такое ГИС-приложение (программное обеспечение)?

Вы можете видеть пример того, как выглядит ГИС-приложение , выше на Рисунке 1. ГИС-приложения – это компьютерные программы с графическим пользовательским интерфейсом, управляемым мышью и клавиатурой. Приложение содержит главное меню в верхней части окна («Файл», «Редактирование» и др.), которое при нажатии мышью показывает соответствующие командные панели. Команды предоставляют возможность сообщить ГИС-приложению, что именно Вы хотите сделать. Например, Вы можете использовать меню для отправки команды на добавление нового слоя в список отображения.

Панели инструментов (ряды небольших иконок с командами, которые могут быть запущены кликом мыши) обычно располагаются прямо под главным меню и предоставляют быстрый доступ к наиболее часто используемым функциям.

Рисунок 3: Панели инструментов обеспечивают быстрый доступ к часто используемым функциям. Наведение указателя на иконку обычно
вызывает всплывающую подсказку с описанием соответствующей функции.

Часто используемая функция ГИС-приложения – отображение картографических слоев . Картографические слои хранятся в виде файлов на диске или внутри базы данных. Обычно каждый картографический слой соответствует конкретным объектам реального мира, например слой дорог показывает дорожную сеть.

Когда Вы открываете слой в ГИС-приложении, он появляется в области карты .

Область карты показывает графическое представление Вашего слоя. Когда Вы добавляете более одного слоя на карту, слои накладываются друг на друга. Рисунки 4-7 показывают карту, имеющую несколько добавленных слоев. Важная функция карты – навигация, включающая увеличение, уменьшение и передвигание карты.

Рисунок 4: Слой городов, добавленный на карту.	Рисунок 5: Слой школ, добавленный на карту.
Рисунок 6: Слой железных дорог, добавленный на карту.	Рисунок 7: Слой рек, добавленный на карту.

В отличие от бумажных карт, карты, открытые в ГИС-приложениях, могут быть изменены после их создания. Вы можете менять форму и цвет условных обозначений картографических слоев. Например, если мы возьмем карту из Рисунка 7 и изменим ее условные обозначения, это полностью поменяет ее внешний вид, как показано на Рисунке 8. Условные обозначения играют важную роль в том, как мы читаем карты, и они быстро и просто меняются в ГИС-приложении.

Другая распространенная функция ГИС-приложений – это легенда карты . Легенда карты содержит список картографических слоев, загруженных в ГИС-приложение. В отличие от легенды бумажной карты, легенда в ГИС-приложении предоставляет возможность менять порядок слоев, скрывать их и создавать группы слоев. Перетаскивания слои мышью, можно изменить порядок их прорисовки на электронной карте. На Рисунках 9 и 10 легенда карты показана в левой части окна ГИС-приложения. После изменения порядка слоев реки отображаются поверх дорог, а не наоборот.

Установка ГИС-приложения на Ваш компьютер:

Существует множество ГИС-приложений. Некоторые включают продвинутые узко специализированные инструменты и стоят десятки тысяч долларов за каждую лицензию. В то же время, существует ряд бесплатных ГИС-приложений. Выбор приложения зависит от того, какими финансами Вы располагаете, и от Ваших личных предпочтений. В контексте данного руководства используется приложение Quantum GIS, также известное как QGIS. Программа Quantum GIS абсолютно бесплатна, Вы можете копировать ее и предоставлять стольким людям, скольким пожелаете. Если Вы получили это руководство в печатной форме, к нему должна прилагаться копия QGIS. В ином случае, Вы можете посетить Интернет-страницу http://qgis.org и загрузить бесплатную копию.

Геоданные:

Теперь мы знаем, что такое ГИС и ГИС-приложения, поговорим о геоданных . Данные – это определенная информация . Информация, которую мы используем в ГИС, обычно имеет географическую (пространственную) привязку. Вспомните вышеупомянутый пример данных предприятия здравоохранения. Для хранения записей о пациентах создана таблица следующего вида:

Колонки долготы и широты содержат географические (пространственные) данные . Название болезни и дата являются непространственными данными . Распространенная функция ГИС – установление связи между первыми и вторыми. В сущности, ГИС-приложение может хранить множество сведений о каждом местоположении, в отличие от бумажной карты, возможности которой ограничены. Например, в рассматриваемую таблицу можно без труда вносить также пол и возраст пациентов. Добавив слой местоположений пациентов в ГИС-приложение, Вы можете задать его отображение так, что оно будет основано на возрасте или типе болезни, или на другом свойстве пациента по Вашему желанию, в то время как бумажная карта будет показывать только одно свойство. Таким образом, с ГИС-приложением мы можем изменить внешний вид своей карты, основываясь на непространственной информации, сопутствующей конкретным местоположениям.

ГИС-системы работают с многочисленными типами данных. Векторные данные хранятся в памяти компьютера в виде последовательностей координатных пар (X,Y). Векторные данные используются для представления точек, линий и областей (полигонов). На рисунке 11 показаны различные типы векторных данных, открытые в ГИС-приложении. Векторные данные будут более подробно рассмотрены в последующем содержании данного руководства.

Растровые данные хранятся в виде сетки значений. Многочисленные спутники пролетают по околоземным орбитам, и создаваемые ими фотографии являются растровыми изображениями, которые можно просматривать в ГИС-приложении. Одно из основных видимых отличий растровых данных от векторных состоит в том, что когда Вы приближаете растровое изображение слишком близко, оно состоит из квадратов (см. Рисунки 12 и 13). Каждый из этих квадратов – отдельная клетка в сетке данных, составляющей растровое изображение. Растровые данные будут более подробно рассмотрены в последующем содержании данного руководства.

Рисунок 12: Спутниковый снимок – типичный пример растровых данных. На этом снимке изображены горы.		Рисунок 13: Те же самые данные, но на этот раз в большем приближении. Видна сеточная структура изображения.

Что мы узнали?

Закрепим изученный материал:

• ГИС – это система из аппаратного и программного обеспечения и геоданных.
• ГИС-приложение позволяет Вам просматривать геоданные и является важной частью ГИС.
• ГИС-приложение обычно включает главное меню , панели инструментов , область карты и легенду .
• Географические данные, используемые в ГИС-приложении, бывают растровые и векторные .
• Географические данные могут быть объединены с непространственными данными .

Попробуйте сами!

Ниже приведено несколько примеров практических заданий для Ваших учеников:

• Опишите понятие ГИС своим ученикам, как сделано в данном руководстве. Попросите их назвать 3 причины, по которым использование ГИС более удобно по сравнению с бумажными картами. Ниже приведены примеры ответов:
  • ГИС-приложение позволяет создавать множество различных карт на основе одних и тех же данных;
  • ГИС – это отличный инструмент визуализации, который позволяет посмотреть на Вашу карту в разных масштабах;
  • Бумажные карты требуют длительной работы по созданию, и даже их просмотр занимает много времени. ГИС может хранить очень большие объемы данных и делает процесс поиска нужных местоположений простым и быстрым.

• Подумайте, как используются растровые данных из спутников. Например:
  • Во время природных катастроф растровые данные могут отображать пострадавшие территории. Например, свежий спутниковый снимок, сделанный во время наводнения, помогает найти людей, чьи дома ушли под воду.
  • Иногда люди причиняют вред окружающей среде, например складируют опасные химикаты, убивающие растения и животных. Используя данные со спутников, мы можем отслеживать подобные проблемы.
  • Службы городского планирования используют растровые данные со спутников, чтобы обнаружить новые постройки, и помочь в планировании инфраструктуры.

Если у Вас нет компьютера:

Многие темы, затрагиваемые в данном руководстве, можно наглядно показать с помощью проекционного аппарата и прозрачной пленки, т.к. они изображают похожее наложение слоев с информацией. Тем не менее, правильное понимание ГИС всегда достигается лучше с использованием компьютера.