2. Понятие о географической информационной системе. Задачи. Основные функции и подсистемы. Классификация гис

ГИС: аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества.

При всем многообразии операций, целей и областей информационного моделирования, характерных для действующих ГИС, логически и организационно в них можно выделить несколько конструктивных блоков, выполняющих определенную функцию. Функции ГИС вытекают из решаемых посредством ГИС четырех типов задач:

1) сбор данных,

2) обработка данных,

3) моделирование и анализ (т.е. создание концептуальных и формальных моделей в результате анализа данных),

4) использование ГИС в процессах принятия решений.

Все четыре блока соответствуют полномасштабным многофункциональным и универсальным ГИС, хотя в конкретных случаях возможно изменение баланса между отдельными блоками или редуцирование отдельных подсистем.

В соответствии с приведенными определениями можно представить ГИС как набор подсистем, ее образующих:

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

2. подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования.

3. подсистема манипуляции (анализа) данными, 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 (или в комбинированной).

Подсистема анализа служит «сердцем» ГИС. ГИС-анализ использует потенциал современных компьютеров для измерения, сравнения, описания информации в базах данных, которые обеспечивают быстрый доступ к ним и позволяют агрегировать и классифицировать данные. Способы манипуляции постоянно совершенствуются, а самое главное – поиск исследователя не ограничивается анализом созданной карты, он сам задает способы их создания.

Основные функции ГИС

1. Ввод и редактирование данных. Это аналого-цифровое преобразование данных, в том числе цифрование (ручное и полуавтоматическое), а также импорт готовых цифровых данных, контроль ошибок цифрования, топологии и геометрической корректности. Общая оценка качества получаемой цифровой модели.

2. Поддержка моделей пространственных данных. Полученная модель может существовать и обрабатываться в рамках определенных моделей (растровая, векторная, квадротомическая и пр. двух- и трехмерные модели) в соответствующих форматах.

3. Хранение данных. Проектирование и ведение баз данных атрибутивной информации ГИС, поддержка функций СУБД включая ввод, хранение, манипулирование, обработку запросов, поиск, выборку, сортировку, защиту и пр.

4. Преобразование систем координат и трансформации картографических проекций. Наиболее распространенные задачи – переход от условных декартовых координат источника в географические координаты, пересчет координат пространственных объектов из одной картографической проекции в другую, эластичные преобразования растровых изображений по опорным точкам (геореференсинг). Иные операции с пространственными объектами, выполняемые на эллипсоиде или шаре.

5. Растрово-векторные операции. Обслуживают возможности использования этих основных моделей пространственных данных: экспорт и импорт, ввод и вывод данных. Конвертирование и векторизация и графическое совмещение растровых и векторных слоев данных.

6. Измерительные операции и операции аналитической (координатной) геометрии. Вычисление длин отрезков, площадей, периметров, объемов, характеристик форм объектов т.п., автоматизация обработки данных геодезических измерений.

7. Полигональные операции. Определение принадлежности точки полигону, линии полигона, наложение полигонов, слияние, удаление паразитных полигонов и пр., генерацию диаграмм Вороного.

8. Пространственно-аналитические операции. Анализ близости, расчет и анализ зон видимости, анализ сетей (сетевой анализ), построение буферных зон.

9. Пространственное моделирование (геомоделирование). Математико-статистический анализ пространственных размещений и временных рядов, межслойный корреляционный анализ взаимосвязей разнотипных объектов средствами встроенных функций.

10. Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей. Создание и обработка ЦМР, расчет производных морфометрических характеристик, построение трехмерных изображений, профилей поперечного сечения, вычисление объемов, генерация линий тальвегов и водоразделов и других линий рельефа, интерполяция высот, построение изогипс (изолиний), цифровое ортотрансформирование изображений. Моделирование трехмерных объектов (тел).

11. Вывод данных. Генерация отчетов, документирование результатов в текстовой графической, табличной формах с использованием периферийных устройств.

Выделенные группы функций не исчерпывают всего разнообразия операций, образующих технологическую основу ГИС. Специализированные программные средства могут содержать и поддерживать многие операции, выходящие за приделы чисто геоинформационных функций. В этой связи упоминают «алгебру карт» (map algebra), сходные с матричными операциями, функции цифровой обработки данных ДЗ и пр.

Несмотря на многообразие ГИС можно классифицировать их по нескольким основаниям: пространственному охвату, объекту и предметной области информационного моделирования, проблемной ориентации, функциональным возможностям, уровню управления и другим критериям.

По пространственном охвату различают: глобальные (планетарные), субконтинентальные, национальные, межнациональные, региональные, субрегиональные и локальные (местные) – в том числе муниципальные и ультралокальные ГИС.

Уместно сказать, что объектами моделирования в ГИС могут быть не только территории, но акватории. Пример: ГИС Черного моря или ГИС для мониторинга состояния глубоководного участка газопровода «Голубой поток» от Джубги до Самсуна (Турция). Менее известны системы, распространяющие область своего влияния на воздушное пространство (аэроторию): это авианавигационные системы, системы планирования аэросъемок и решения других задач, связанных с воздухоплаванием.

Существуют различия предметной области информационного моделирования. Среди предметно-ориентированных, как правило, ведомственных ГИС различают природоохранные ГИС, земельные информационные системы (ЗИС), городские или муниципальные ГИС (МГИС), ГИС для целей предотвращения и локализации последствий ЧС и др.

По объектам информационного моделирования – объектовому составу: это могут быть феномены реальности (земля, лес, хозяйство, население), процессы (загрязнение, наводнения, миграция), нематериальные объекты.

Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней научными и прикладными задачами. Они могут быть построены по мере усложнения и наращивания возможностей управления моделируемыми процессами и объектами: инвентаризация (кадастр, паспортизация) объектов и ресурсов, анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Здесь можно выделить: а) инженерные, б) имущественные, в) тематического картографирования, г) управления природными ресурсами, д) административные, е) библиографические, ж) обработки космических изображений.

Классификация ГИС по функциональности. Основные функции уже упоминались: получение данных, их ввод в компьютерную (точнее, в цифровую) среду, хранение (в том числе обновление или актуализация), обработка, вывод, распространение и использование данных (включая принятие решений). Каждой функции может соответствовать структурная единица ГИС – подсистема (модуль).

Известна классификация ГИС по уровню управления. В зависимости от уровня органов государственного управления здесь различаются ГИС федерального, регионального и специального назначения. Под последними понимаются системы, используемые для обслуживания информационных потребностей конкретных отраслей народного хозяйства.

По степени открытости (организации): а) закрытые – это системы, которые пользователь не может в случае необходимости изменить, например, включить новые функции. Эти системы имеют невысокую цену и относительно просты в пользовании; б) открытые – имеют определенный набор функций для использования за счет встроенных средств, что позволяет расширить или изменить возможности системы; в) специализированные – имеют ограниченный набор пользовательских приложений для решения определенного круга задач.