ГИТ лекционный курс / Тема 1 текст

Тема№1. ОпределениеГИС(Географическиеинформационныесистемы).

Слайд2. Основныепонятияобщейгеоинформатики.

Мы вступили в 21 век - эпоху впечатляющих достижений в возможностях получения информации о природной и социальной сферах, а также в возможностях использования этих данных для решения научных и практических проблем. Можно сказать, что методы получения информации приобретают все более индустриальный характер. Объемы требуемой современной цивилизации и собираемой ею информации колоссально возрастают, и, естественно, требуют для обеспечения своего рационального использования привлечения современных, базирующихся на компьютерных технологиях средств как для ее обработки и анализа, так и для организованного хранения, поиска нужной информации и другого манипулирования ею. В противном случае было бы неизбежно наступление информационного кризиса, связанного с утерей способности эффективно использовать имеющуюся информацию. К счастью, те же достижения научно-технического прогресса, в первую очередь, современной электроники и математики, компьютерные технологии, позволили создать и адекватные все возрастающим потребностям средства для ее хранения, поиска, переработки, распространения и анализа. Вся

совокупность этих средств и методов обращения с информацией, называется информационными технологиями и является предметом рассмотрения информатики (общей информатики).

Программные и технические средства, реализующие информационные технологии на практике, очень многообразны. Те из них, которые предназначены для обеспечения доступа к информационным ресурсам - ввода информации, хранения ее, модификации, осуществления поиска необходимой информации и ее представления в нужном виде,

называются информационными системами (информационно-поисковыми системами, ИПС). Понятие "информационная система" необязательно относится только к сфере компьютерных технологий. Существуют и аналоговые, некомпьютерные информационные системы, манипулирующие информацией в аналоговой, а не в цифровой форме. Например, библиотека - организованное хранилище книг, снабженное системой каталогов, инструкций и правил пользования, реализующее некоторые процедуры контроля состояния (инвентаризацию и реставрацию фонда) и обновления (пополнение фонда) - тоже информационная система.

Однако сегодняшние информационные системы, как правило, являются цифровыми, то есть, основаны на использовании компьютерной техники, и информация в них находится в цифровом виде. Хотя внутреннее для такой системы представление информации цифровое, неприспособленно для прямого восприятия человеком, рядовой пользователь системы может никогда на практике не иметь дела с этим внутренним представлением, и все время

воспринимает информацию в удобной для него форме, используя мощные современные средства визуализации, в том числе, компьютерной графики. Информационные системы, как правило, создаются с использованием специального программного обеспечения, называемого системами управления базами данных (СУБД), а сами упорядоченные массивы данных, организованные с помощью СУБД, называются базами данных.

Существуют специализированные пространственные информационные системы для работы с информацией об объектах и явлениях, которые имеют привязку к определенной позиции в пространстве, с информацией о тех объектах и явлениях, для которых важную роль играет их положение, форма, размеры, взаиморасположение по отношению к другим объектам и явлениям. Такие системы относятся к классу геоинформационных систем. Термин "пространственный", который мы употребили выше, имеет в данном контексте, достаточно, общий смысл. "Пространственные" объекты могут быть расположены в каком-то месте на земной поверхности, под ней или над ней, быть плоскими или объемными, могут вообще не иметь никакой привязки именно к поверхности Земли с определенными для нее координатными системами. Важно, что объекты привязаны к некоторой координатной системе, возможно, местной и условной, и этот факт признается существенным и используется системой при организации данных и их использовании.

Слайд 3. Основные понятия общей геоинформатики (продолжение). Специфический отдел информатики, имеющий дело с такой пространственно

привязанной информацией, называется геоинформатикой. Соответственно выделяются и геоинформационные технологии, как совокупность методов и приемов для манипулирования пространственными данными, их представления и анализа. Как общая информатика имеет дело с общими свойствами информации и универсальными ее свойствами, а не со специфическими для конкретной предметной области, так и общая геоинформатика имеет дело с общими свойствами пространственной информации, независимо от конкретного ее содержания. И как для общей информатики существуют развивающиеся на ее пересечениях с конкретными предметными областями и научными дисциплинами ее специфические ветви, так и для геоинформатики также можно говорить о существовании или возможном появлении таких специфических ветвей - геологическая геоинформатика, геоинформатика в археологии, геоинформатика на железнодорожном транспорте. Таким образом, ни в коем случае нельзя трактовать геоинформатику в целом как информатику для геологии или географии или геодезии.

Слайд 4. Почему и когда возникли ГИС ?

Представьте себе, что вы входите в состав группы, работающей в министерстве природных ресурсов и развития большой страны. Вам надлежит провести учет всех имеющихся лесных, минеральных и водных ресурсов. Помимо простой описи всего этого, вампредстоит оценить существующее состояние использования этих ресурсов, какие из них не достаточны и какие готовы к использованию. Вдобавок, от вас требуется составить прогноз по изменению доступности и качества этих - ресурсов на следующие десять-двадцать или даже столет.

Ясно, что обрисованная задача требует сбора огромных объемов информации, ее организации, оценки, анализа и моделирования. Тем не менее, это - та самая задача, что стоит обычно перед теми, кто управляет природными ресурсами. Если бы была карта природных ресурсов, то при одном только взгляде на нее мы могли бы увидеть распространение, качество и степеньихиспользования.

Именно такая ситуация имела место в Министерстве лесного хозяйства и сельского развития Канады в начале 60-х годов прошлого столетия. В этой стране, одной из имеющих наибольшие в мире запасы земель и природных ресурсов, решили, что имеющихся знаний о распространении, качестве и долговечности национальных ресурсов недостаточно. Правительственные топографы подсчитали, что составление карт ресурсов на столь большую площадь потребовало бы больше опытных картографов, чем имелось на тот момент. Разрешить эту проблему взялся человек по имени Роджер Томлинсон, признанный во всем мире как родоначальниксовременныхГИС.

Таким образом, новоиспеченному Отделению информационных систем регионального планирования, финансируемому федеральным правительством Канады было поручено создание того, что стало первой в мире геоинформационной системой (CanGIS – Канадская географическая информационная система.). Ее первоначальной задачей были классификация и нанесение на карту земельных ресурсов Канады. Интересно, что выходными данными первой ГИС были не картографические материалы, а обобщенные результаты исследований, представленные в виде таблиц.

Одновременно, в недрах Гарвардской лаборатории машинной графики и пространственного анализа (США) возникло новое направление – разработка программного обеспечения для общегеографическогокартирования.

В результате этих работ появился и стал быстро развиваться новый класс графического программного обеспечения для отображения и анализа картографической информациигеоинформационные системы. Со временем сфера применения ГИС вышла далеко за пределы компьютернойграфики.

Слайд 5. Что такое геоинформационные системы?

В наиболее общем смысле, геоинформационные системы это инструменты для

обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности и используемые для управленияею. Эторабочее определениенеявляется ни полным, ни точным. Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС. Сам термин изменяется в зависимости от интеллектуальных, культурных, экономических и даже политических целей. Эта терминология стала в действительности очень изменчивой, приводя к все более запутанному жаргону, все новым определениям, постоянно проникающимкаквнаучную, такивпопулярнуюлитературу.

Отсутствие общепринятого определения привело к значительному недопониманию того, что такое ГИС, каковы их возможности и для чего такие системы могут применяться. Это привело к тому, что некоторые люди полагают, например, что нет разницы между компьютерной картографией, компьютерным черчением и собственно ГИС. Поскольку графические интерфейсы всех трех систем могут выглядеть одинаково как для случайного, так и для опытного наблюдателя, легко предположить, что эти системы, при небольших различиях, в принципе, - одно и то же. Но любой, кто попытается анализировать карты, скоро поймет, что системы компьютерной картографии, придуманные для создания карт из графических примитивов (геометрических фигур) в сочетании с описательными атрибутами, прекрасно подходят для отображения карт, но обычно не содержат аналитических возможностей ГИС.

Аналогично, для чисто картографических целей желательно использовать именно системукомпьютернойкартографии, разработаннуюспециальнодля ввода, организации и вывода картографических данных, нежели продираться через мириады аналитических функций мощной профессиональной ГИС всего лишь для создания простой карты. Системы компьютерного черчения, специально разработанные для создания графических изображений, не привязанных к внешним описательным данным - прекрасный инструмент для архитектора, ускоряющий производство архитектурных чертежей и упрощающий их редактирование. Этисистемыникакихкартографическихзадачнерешают.

На этом слайде представлено другое определение ГИС. Это определение сформулированно разработчиками ведущего программного обеспечения в области ГИС, а именно компанией ESRI (Институт исследования систем окружающей среды, г. Редланс, Калифорния, США).

Разработчики утверждают, что 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 современных 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.

Впрограммном 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 ГИСприложениях.

Слайд6. Видбазыгеоданных: моделиданных.

Реальные географические объекты могут быть представлены в базе данных разными способами, или моделями. Выбор модели зависит от того, что нас интересует визучаемом объекте, икакмыхотимегоотображать. Наборыданныхмогутпредставлятьсобой:

•Упорядоченные наборы векторных объектов. Например, земельные участки обычно представляются как полигоны, улицы - как центральные линии, скважины - как точки, и т.д.

•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, описательная картографическая информация.

Слайд 7. Видбазыгеоданных: атрибуты и символы.

Помимо географических представлений, наборы данных ГИС включают традиционные табличные данные, описывающие географические объекты. Эта описательная информация называется атрибутами объектов. Атрибуты часто не имеют прямых указаний на пространственное размещение, поэтому атрибуты называют непространственной информацией.

Например, реальный объект на поверхности земли – добывающая скважина - представляется в базе данных как точечный пространственный элемент и имеет некоторые характеристики (свойства). Эти характеристики, иначе атрибуты, сообщают нам номер скважины, название площади, на которой она находится, принадлежность к НГДУ и другие сведения о скважине. Все эти описательные характеристики хранятся в одном месте - в атрибутивной таблице.

На интерактивной карте пространственный объект «скважина» отображается с помощью символа. Вид символа (его форма или цвет) может определяться значением атрибута.

Любая ГИС обеспечивает динамическую связь между пространственным элементом, его атрибутами и символом. Это означает, что изменение свойств картографируемого объекта (например, скважина из добывающей превращается в законсервированную) приводит к изменением в атрибутивной таблице и к замене символа. Если пространственный элемент удаляется из базы данных, то удаляется соответствующая ему запись в таблице атрибутов и символ с карты.

Слайд 8. Видбазыгеоданных: взаимосвязь графических объектов и их атрибутов. Связь объектов на карте с их атрибутами является одним из основных принципов

работы ГИС и главным фактором ее эффективности. Благодаря связи объектов карты и атрибутов вы можете иметь доступ к атрибутам для любого объекта или определять местоположениелюбогообъектапоегоатрибутам.

Например, мы хотим узнать, где располагаются скважины с максимальным притоком нефти. Для этого обращаемся к системе с запросом (проще говоря, задаем ей вопрос), в ответ на который система показывает (в данном случае подсвечивает желтым цветом) строки, удовлетворяющие данному запросу. Одновременно на интерактивной карте подсвечиваются объекты, соответствующиевыбраннымзаписяматрибутивнойтаблицы.

Любая система работает и в обратном направлении. Простым щелчком мыши на интересующем нас объекте (или при выборе нескольких объектов) мы может получить полную информациюонем(оних).

Слайд 9. Видбазыгеоданных: тематическиеслоиинаборыданных.

ГИС организует пространственные данные в серии тематических слоев и таблиц. Темасовокупность однородных географических объектов, например, дорог, рек, участков или природных достопримечательностей. Наборы данных обычно связаны единым географическим положением, им приписываются реальные координаты, и их можно накладывать друг на друга в произвольной комбинации, составляя интерактивные карты различного содержания.

Слайд 10. Видбазыгеоданных: принциппослойнойорганизацииданных.

Теоретически все данные можно хранить как единую совокупность объектов и их атрибутов, образно говоря, в одной куче. Но управлять таким массивом данных очень трудно. Практика информационных систем показала, что чем более специализированы наборы данных, тем легче ими управлять и получать доступ к ним.

Например, мы хотим провести свой отпуск на берегу озера, а поехать к озеру на своей машине. Чтобы определиться с маршрутом, мы берем обычную топографическую карту. Как правило, топографические карты, особенно крупного масштаба, испещрены множеством различных символов и надписей, которые мешают нам сосредоточиться на решаемой задаче.

Для определения маршрута нам нужно всего два вида информации: карта автомобильных дорог и гидросеть. Если бы всю остальную информацию, нанесенную на топокарту, можно было бы стереть, то наша задача была бы решена в считанные минуты.

Любая ГИС очень легко позволяет нам подгружать и выгружать различные тематические слои в произвольной комбинации. Причем целостность всей базы данных не нарушается.

Послойная организация данных существенно увеличивает эффективность работы всей системы и является вторым основополагающим принципом работы ГИС.

Слайд 11. Видбазыгеоданных. Пространственныеотношения: топологияисети.

Пространственные отношения, такие как топология и сети, также являются очень важными частями базы данных ГИС. Топология применяется для контроля за общими границами между пространственными объектами, для определения и исполнения правил целостности данных, а также для поддержки топологических запросов (например, чтобы

определить смежность и связность объектов). Топология также используется для расширенного редактирования и построения пространственных объектов на основе других геометрических элементов (например, для построения полигонов из линий).

Сети описывают связанный граф ГИС-объектов, по которому можно перемещаться. Это важно для моделирования маршрутов и навигации в таких сферах деятельности, как транспортная, трубопроводная, инженерные коммуникации, гидрология и во многих других прикладных задачах, связанных с сетями.

Слайд 12. Видгеовизуализации.

Геовизуализация подразумевает работу с картами и другими видами географической информации, в том числе с интерактивными картами, 3D сценами, итоговыми диаграммами и таблицами, видами с показателями времени, схематическими видами сетевых отношений.

Для большинства ГИС-приложений интерактивные карты – это основной интерфейс в котором работают пользователи. Они доступны на многих уровнях: от карт для беспроводных мобильных клиентов до Web-карт в браузерах и карт в мощных настольных ГИС-приложениях.

Карты в ГИС во многом схожи со статичными бумажными картами, но к тому же они интерактивны, то есть вы можете взаимодействовать с ними. Интерактивную карту можно уменьшать и увеличивать, причем при определенных масштабах некоторые слои на карте могут появляться или исчезать. Вы можете применять условные знаки для отображения слоев карты на основе любого выбранного набора атрибутов. Например, цветовая шкала условных обозначений для земельных участков может основываться на типах их зонирования, а размеры точечных значков для обозначения скважин могут быть связаны с их объемом выработки. При указании географического объекта на интерактивной карте можно получить о нем дополнительную информацию, строить пространственные запросы и проводить анализ. Например, можно найти все магазины определенного типа недалеко от школ (например, в радиусе 200 м) или все заболоченные участки на расстоянии до 500 м от выбранных дорог. Кроме того, многие пользователи ГИС посредством интерактивных карт проводят редактирование данных и создают пространственные представления объектов.

Слайд 13. Видгеовизуализации(продолжение).

Помимо карт, в базах данных ГИС используются другие интерактивные виды, такие как временные срезы, глобусы и схематические чертежи. Разработчики часто встраивают карты в пользовательские приложения, и многие пользователи публикуют в Интернете Webкарты, предназначенные для использования в ГИС.

Слайд 14. Видгеообработки.

Следующий вид ГИС представлен коллекцией наборов географических данных и операторами (инструментами), применяемыми к этим наборам данных. Инструменты ГИС являются строительными блоками для выполнения многошаговых операций. Инструмент применяет операцию к некоторым имеющимся данным с целью получения новых данных. Операции, соединенные в единую цепочку, формируют модель процесса обработки данных. Создание и применение подобных процедур и называется геообработкой.

Возможность автоматизации и повторного выполнения таких рабочих процессов является сильной стороной ГИС. Она широко применяется в многочисленных ГИСприложениях и сценариях работы с данными.

Слайд 15. Определение ГИС через подсистемы.

В заключение лекции рассмотрим определении ГИС через подсистемы которые ее образуют. Определение дает Майкл ДеМерс, автор книги «Географические информационные системы. Основы». Это определение позволяет легко сравнить современные компьютерные ГИС с традиционными бумажными картами, особенно если рассмотреть все этапы картографическогопроцесса.

Итак, ГИС представляет собой набор подсистем, ее образующих. В соответствии с

этим определением, ГИС имеют следующие подсистемы:

1.Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразования различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).

2.Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные

данные с целью их выборки, обновления и редактирования.

3.Подсистема анализа данных, которая выполняет различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции.

4.Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме.

Слайд16. ТрадиционнаякартографияиГИС: сравнениефункцийподсистемыввода.

При традиционной технологии картограф собирает карту из точек, линий и областей на физическомносителе, таком, как бумага или пластик. Информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные

описания и зарисовки, данные статистики и т.д. Компьютерный аналог использует электронные устройства для записи, или кодирования точек, линий и областей в компьютерную систему. Источники данных часто те же, что и в традиционной технологии, но сейчас включают и широкий спектр цифровых источников: готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые ортофотоснимки и многие другие. Хотя механизмы этих технологий различаются, используемыевреальностиметодыудивительнопохожи.

Слайд17. Традиционная картографияи ГИС: сравнениефункцийподсистемы храненияи выборки.

В традиционном картографическом методе сама карта является средством хранения и выборки информации. Точки, линии и области, которые нанесены на карту, хранятся там для выборкиихчитателемкарты. Говорят, чтокарта— наиболеекомпактный носитель для хранения пространственно привязанной информации и возможно, является наиболее сложным графическим изобретением. Нередко даже, насыщенность и сложность карты мешают пользователю извлекать из нее информацию. В ГИС подсистема хранения и выборки имеет значительные преимущества перед картой в том, что можно делать запросы, возвращающие только нужную информацию. В общих словах, эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Компьютерные методы поиска естественным образомприсущисамомупрограммному обеспечениюГИС.

Слайд18. ТрадиционнаякартографияиГИС: сравнениефункцийподсистемы анализа.

В картографическом методе нет прямого аналога и для подсистемы анализа, за исключением того, что карта является фундаментальным инструментом анализа пространственно-связанных данных. Традиционная карта требует применения линейки для измерения расстояния, транспортира для определения направления, и сетки или планиметра для измерения площади. Более того, человек, анализирующий карту, ограничен графическими методами, использованными для представления данных на листе бумаги или пластика.

Подсистема анализа является «сердцем» ГИС. Анализ карт дает импульс для поиска новых, более удобных, быстрых и мощных методов, способствует рождению новых гипотез, поскольку на уже привычные и знакомые данные мы может взглянуть с другой стороны.

ГИС – анализ использует потенциал современных компьютеров для измерения, сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных. В случае традиционной картографии входные данные используются один раз и представляются на карте в уже