Глава 3. Геоинформационные системы

Геоинформатика, как и другие смежные с ней науки, относительно молодые области в науке и технике, которые сформировались во второй половине 20 века в эпоху научно-технической революции, в рамках картографии под влиянием процессов информатизации и развития современного общества. В современном мире методы и технологии геоинформатики имеют колоссальное значение. Они используются в научных и прикладных разработках в географии, экологии, геологии, природопользовании, экономике, транспортной логистике, политологии, археологии, истории, строительстве и т.д. С их помощью осуществляются мониторинг и анализ пространственных данных, территориальное проектирование, планирование и прогнозирования в различных отраслях науки и деятельности человека в разнообразных целях (научных, хозяйственных, военных и др.). Геоинформационные технологии относятся к ключевым технологиям, с помощью которых решается самая главная цель – обеспечение устойчивого развития страны, ее социальной, экономической, экологической и военной безопасности в современном мире. Вот почему во всем мире они активно используются и развиваются. Но перейдем непосредственно к ГИС, и начать следует с определения. Понятие «географические информационные системы» появилось в 60-х годах двадцатого века в Канаде и в США, когда достижения техники и возросший объем запросов к географической информации обусловили переворот в средствах накопления, обработки и выдачи информации. Итак, геоинформационная система (ГИС) – информационная система, предназначенная для сбора, хранения, анализа и отображения пространственных данных и связанной с ними непространственной информации. Поэтому было бы не правильно рассматривать ГИС как простое средство визуализации, ведь изображение цифровых карт, планов не являются единственными возможностями данных систем, хотя им уделяется много внимания. Существует множество способов отображения информации на карте, в том числе и цифровой. Это форма, т.е очертания предмета, цвет, ориентация, тон, размер и текстура. Так же способ зависит от особенностей самой фигуры и от типа данных. В ГИС данные делятся на две категории: пространственные (которые характеризуют положении объекта в пространстве) и непространственные, или атрибутивные. Пространственные данные включают географические объекты, представляемые точками, дугами, линиями и полигонами. Основной особенностью точечных объектов является то, что их местоположение определяется одной единственной трехмерной координатой. Дугами называются те реальные объекты, которые можно рассматривать как линии. Дуга состоит из отрезков линий и дуг окружностей. Полигонами называются замкнутые области, которые представляют однородные по некоторым критериям территории. Атрибутивные же представляются в виде свойств или характеристик, относящихся к определенному пространственному объекту базы данных ГИС, носят название атрибутивных данных. Атрибутивные данные географических объектов представляются в форме специальных атрибутивных таблиц, состоящих из строк и столбцов. Таблица атрибутов объектов - это особый тип файла данных, хранящий информацию о каждой точке, дуге или полигоне. Она содержит стандартные атрибуты, появляющиеся в определенном порядке. Таблицы этого типа содержат все данные тематических атрибутов, связанные с пространственной информацией карты. Так для точечных объектов основные параметры это размер и цвет. Для пространственных объектов тоже есть способы, помимо уже перечисленных. Например, такой способ как штриховка. Он применяется для отображения площадных пространственных объектов. Для отображения линейных пространственных объектов. Знаки могут различаться по ширине, по структуре (например, густота пунктирной или штриховой линии), по цвету. Объекты могут отображаться путем комбинирования линий, при этом их характеристика зависит от линейных параметров двух или более линий и от их расположения друг относительно друга. Набора достоверных пространственных и атрибутивных данных достаточно для последующей полноценной работы с ними и создания базы данных. Один из самых важных этапов при построении графической базы данных является геометрическое преобразование данных о пространственном местоположении объектов из одной системы координаты в другую к общей картографической проекции. Такие преобразования необходимы, чтобы можно было сравнивать и анализировать объекты, графическая информация о которых хранится в БД ГИС в разных картографических проекциях. Соответствующий математический аппарат глубоко разработан и широко представлен в стандартном программном обеспечении ГИС. Далее следует упомянуть о моделях ГИС. Данные могут быть организованы различными способами. Организация данных определяется в первую очередь целью их использования, а также способом их сбора и хранения. Специальные атрибуты могут хранить дополнительную информацию относительно местоположения, топологии и геометрии пространственных объектов. При этом модели данных усложняются, и они получают характерные названия, например векторный топологический формат. В современных ГИС топологические атрибуты формируются автоматически при создании графической базы данных. Информация о пространственном положении объектов хранится либо в виде широты/долготы, либо в любой картографической проекции, а может быть, и в местной системе координат. Один из самых важных этапов при построении графической базы данных является геометрическое преобразование данных о пространственном местоположении объектов из одной системы координаты в другую к общей картографической проекции. Такие преобразования необходимы, чтобы можно было сравнивать и анализировать объекты, графическая информация о которых хранится в БД ГИС в разных картографических проекциях. Соответствующий математический аппарат глубоко разработан и широко представлен в стандартном программном обеспечении ГИС. В ГИС основой представления данных служит так называемая графическая среда. Под графической средой понимается некий графический интерфейс, основанный на организации взаимодействия пользователя с вычислительной системой. Графический интерфейс позволяет управлять поведением вычислительной системы через визуальные элементы управления: окна, списки, кнопки и т.д. Основу графической среды и соответственно визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели. В общем случае модели пространственных (координатных) данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, содержать или не содержать топологические характеристики. Этот подход позволяет классифицировать модели по трем типам: растровая модель, векторная нетопологическая модель и векторная топологическая модель. Растровая модель особенно хорошо подходит для представления явлений реального мира, имеющих непрерывное распределение, например температуры поверхности Земли. Растр представляет собой набор прямоугольных (чаще всего квадратных) ячеек — пикселов и может быть представлен как прямоугольная матрица чисел подобно двухмерным массивам в языках программирования. Для хранения информации в растровой модели можно пользоваться простой файловой структурой с прямой адресацией каждого пикселя. Растровая модель широко используется при непосредственной обработке и анализе цифровых изображений, полученных по данным дистанционного зондирования Земли, а также для решения многих прикладных задач, в частности мониторинга состояния окружающей среды. При моделировании пространства в растровом формате основные сложности связаны с тем, что пространственные объекты могут быть представлены с большой точностью только за счет уменьшения размера пикселя, что ведет к увеличению стоимости хранения информации. Основное преимущество растрового представления состоит в слиянии графической и атрибутивной информации в единую регулярную структуру. Следует упомянуть и еще о некоторых достоинствах растрового изображения: растр не требует предварительного знакомства с явлениями, данные собираются с равномерно расположенной сети точек, растровые модели могут использоваться для изучения новых явлений, о которых не накоплен материал, растровые данные проще для обработки по параллельным алгоритмам и этим обеспечивают более высокое быстродействие по сравнению с векторными. А так же многие растровые модели позволяют вводить векторные данные, в то время как обратная процедура весьма затруднительна для векторных моделей и процессы растеризации много проще алгоритмически, чем процессы векторизации, которые зачастую требуют экспертных решений. В векторном формате линии получаются посредством соединения последовательности точек или вершин, представленных в виде упорядоченных пар пространственных координат, откуда и название «векторный». При этом если в БД координаты выражаются числами с большим количеством значащих цифр, то любые сложные объекты могут быть представлены более точно за счет более близкого расположения вершин. Главное различие между векторной и растровой моделями состоит в том, как эти модели представляют пространство. Для представления пространственных объектов растровая модель использует плоскостное или объемное перечисление, а векторная — изображение границ объектов. Иными словами, растр описывает объекты непосредственно, а векторная модель хранит информацию только о границах объектов. Представление пространственной информации в векторном формате требует меньше объема памяти, чем в растровом. Векторный формат также хорошо подходит для представления пространственных объектов даже очень сложной формы. При использовании растровой модели операции по сопоставлению и перекрытию разных пространственных данных об одной территории могут быть проведены непосредственно без каких-либо сложных геометрических вычислений. При этом в характерном для ГИС послойном представлении информации каждый растровый слой представляет отдельный атрибут. Положение ячейки адресуется номером строки и столбца, поэтому пространственные координаты для каждой ячейки не запоминаются, а хранится число колонок и строк плюс географическое положение первой ячейки (угловой). Сочетание растровой и векторной формы дают, на сегодняшний день, наиболее естественное для человека естественное представление как собственно пространственной информации, так и любой другой информации, имеющей отношение к объектам, расположенным в пространстве т.е. атрибутивной информации.

Заключение

В современном мире поток информации самого различного содержания и направленности буквально захлестывает телевидение, радио, интернет и многие другие информационные ресурсы, окружающие нас. И проблема ее хранения, обработки и передачи актуальна как никогда. По некоторым данным объем всей новой информации, полученной в течение последующих нескольких лет, превысит объем информации накопленной за всю историю человечества. Поэтому одна из основных целей это нахождение средств, способных хранить и передавать в себе информацию в более компактном и легко воспринимаемом для человека виде. Для решения подобных проблем существуют средства визуализации и их разнообразие поражает. Это могут быть как все возможные графики, диаграммы, структурные схемы и т.д. В отношении географической информации это, конечно же, карты. Друг от друга все они отличаются областью применения, внешним видом и еще многим другим, но цель у них одна – облегчить понимание, восприятие информации человеком. Следует отметить, что для качественной и продуктивной работой с подобными инструментами необходим некий профессиональный уровень пользователя и для каждого средства он свой. Так с простейшими графиками и диаграммами может работать абсолютно любой человек, имеющий представление об их основных возможностях и понимающий ценность предоставленной в них информации. Для карт этого уже не достаточно, ведь чем выше уровень сложности предоставленной информации, тем должен быть выше уровень квалификации человека, работающего с ней. Простому читателю, скорее всего, трудно будет получить адекватную информацию, в то время как профессионал, разбирающийся в картах, сможет не только получить данные, но и в будущем найти им применение. Еще более высокий профессиональный уровень требуется для работы с ГИС. За последние годы функциональный набор возможностей данных систем значительно расширился, что позволило решать самые сложные задачи в промышленности, строительстве, кадастре и т.д. Возможность интеграции различных программных систем или параллельной работы с ними – вот неполный список их возможностей, за которые они ценятся. Это то, что объясняет их популярность, востребованность, и не меньшую распространенность, как и другие средства визуализации, обладающие гораздо меньшей функциональностью. Но не смотря на такой контраст все подобные средства (от графиков и диаграмм, до ГИС) прочно закрепились в различных сферах науки техники и широко используются несмотря на все свои преимущества и недостатки.

Список литературы

1. А. Ю. Зиновьев Визуализация многомерных данных – Красноярск., Изд. КГТУ, 2000 – 180с.

2. Журкин И.Г., Шайтура С.В Геоинформационные системы - КУДИЦ-ПРЕСС, 2007 – 128с.

3. Душина И.В. Методика и технология обучения географии в школе.– М.: Астрель, 2002. – 261с

4. Измайлова Н.В. Картографическая информация и система картографических знаков. Одесса: Изд во Одесск. ун та, 1976. – 104 с.

5. Берлянт А.М. Теория геоизображений. - М. : ГЕОС, 2006. 262 с., 30 цв. вкл.

6. Браун Л.А. История географических карт. М., Центрполиграф, 2006. — 479 с.

7. Лайкин В.И., Упоров Г.А. Геоинформатика - Комсомольск-на-Амуре., Издательство АмГПГУ, 2010 - 162с

8. Капралов Е. Г., Кошкарев А. В., Тикунов В. С. и др. Геоинформатика: Учебн. для студ. вузов / Под ред. В. С. Тикунова. – М., Академия, 2005. – 480 с.