3. Данные, информация, знания в геоинформатике

Геоинформатика изучает и сама разрабатывает принципы и технологии сбора, накопления, передачи, обработки и представления данных для получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях в геосистемах. Тесно связанные понятия данные, информация и знания имеют основополагающее значение для геоинформатики.

Дефиниции должны быть определены во избежание двусмысленности и недоразумений. Термины «информация», «данные» чрезвычайно распространены. При этом в быту и в науке они употребляются как синонимы слов сообщение, сведения, сигнал, материалы, знания. Однако эти слова имеют разное научное содержание, суть.

Понятие данные (data) – это зарегистрированные сигналы или факты. Слово «данные» происходит от латинского “datum” – факт. Однако данные не всегда фактографичны (например, предположение, идея, или могут быть неточными).

Данные несут в себе информацию о событиях, произошедших в материальном мире, однако они не тождественны информации. Так, получив послание на непонятном языке, мы зарегистрировали лишь сигналы, но не извлекли информацию. Различие между данными и информацией такое же, как между шифровкой и ее переводом. Правда, часть информации мы все-таки получаем: о шрифте, о качестве бумаги и т.д. Но метод ее получения не адекватен самой информации. Так, методом извлечения информации из текста на иностранном языке является использование словаря, извлечения из записи на магнитной ленте – использование устройства типа магнитофона и т.п. Иначе говоря, данные – совокупность фактов, представленных в каком-либо формализованном виде для их использования в науке или других сферах человеческой деятельности.

Применительно к геоинформатике «данные» можно рассматривать и определять в трех контекстах: вне автоматизированной среды использования, внутри ее и в среде ГИС. В первых двух контекстах под «данными» понимаются либо факты, либо сведения, подготовленные для компьютерной обработки. Под «данными» в среде ГИС понимаются результаты наблюдений и измерений реальных объектов. Элемент содержит три главных компоненты: 1) атрибутивные сведения, которые описывают сущность, характеристики, переменные, значения и т.п. его квалификации; 2) географические сведения, описывающие его положение в пространстве относительно других данных; 3) временные сведения, описывающие период или момент времени, представляющие элемент данных.

Фундаментальным понятием в геоинформатике является «пространственные данные» – spatial data. Пространственным данным в русскоязычной литературе соответствует два понятия: первое – это пространственные данные в широком смысле слова (включают все пространственно-координированные данные об объектах реального мира, а также цифровые изображения и карты, каталоги координат геодезической сети и пр.); второе – связано с информационным обеспечением ГИС – это цифровые данные о географических объектах. В качестве синонимов термина «пространственные данные» употребляются понятия «географические данные» и «геопространственные данные».

Данные – это атрибут информации. Латинское «informatio» – разъяснение, изложение.

Все виды энергообмена сопровождаются появлением сигналов, при этом взаимодействии сигналов с физическим полями или телами возникают изменения их свойств, т.е. регистрация сигналов. С середины 20 века информация – общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, между человеком и машиной, машиной и машиной, а также обмен сигналами между организмами (в широком смысле – между любыми физическими объектами). Нас интересует научная информация, т.е. та, которая может служить исследовательским целям.

Данные соответствуют дискретным зарегистрированным сигналам, в результате чего мы получаем информацию о реальном мире. Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных (соответствующих им) методов (иначе говоря – данные, релевантные пользователю). Информацию можно определить и как средство (управляющего) воздействия на систему (объект). Здесь упор делается на передаваемую информацию. Но есть еще и потенциальная – непередаваемая, заключенная в самом явлении или объекте.

В этом смысле важен метод извлечения, регистрации данных. Физический метод регистрации данных может быть любым – механическое перемещение тел (при ударе), изменение их формы или параметров качества поверхности (при механическом воздействии – нанесении петроглифов на камень), изменении электрических, магнитных, оптических характеристик, химического состава или химических связей, наконец, связей на молекулярном или атомарном уровнях. В соответствии с методом регистрации данные могут храниться на носителях различных видов. Свойства информации тесно связаны со свойствами их носителей (разрешающая способность и др.).

Надо заметить, что задача преобразования данных с целью смены носителя информации относится к одной из важнейших задач информатики в частности и геоинформатики в общем. Устройства для ввода и вывода информации имеют стоимость до половины стоимости аппаратных средств (графопостроитель, модем, принтер, дигитайзер и др.).

В современной науке существует несколько парадигм, объясняющих явления информационного порядка (математическая, физическая и др., не говоря уже о философской).

Среди них первая (по времени возникновения) – теория К.Шеннона. Она ставит целью вычисление количества информации по формуле:

I = – Σp_ilog₂p_i,

где I – количество информации; p_i – вероятность появления i-го сигнала; n - количество всех возможных сигналов. Логарифм в этой формуле свидетельствует о том, что информация – величина аддитивная I₁₊₂ = I₁ + I₂, тогда как вероятность появления сигнала – мультипликативная p₁₊₂ = p₁*p₂. Эта формула получила очень широкое распространение во многих областях и используется как мера разнообразия. Однако, у нее есть недостаток – она не учитывает содержательную сторону информации. Как отмечали некоторые исследователи: совокупность из 100 букв, выбранных случайным образом, фраза в 100 букв из газеты, пьесы Шекспира или теоремы Эйнштейна имеют в точности одинаковое количество информации.

Шеннон саму идею подсчета количества информации, видимо, заимствовал у физика Больцмана, который таким образом считал энтропию – симметричное состояние систем, характеризующееся минимумом информации.

В общей теории систем утверждается, что не существует систем обработки данных, которые могли бы обработать более чем 2*10⁵⁴⁷ бит в секунду на грамм своей массы. При этом компьютерная система, имеющая массу, равную массе Земли, за период, равный примерно возрасту Земли, может обработать порядка 10⁵⁹³ бит информации (предел Бреммермана). Задачи, требующие обработки более чем 10⁵⁹³ бит, называются трансвычислительными. На практике это означает, например, что полный анализ системы из 110 переменных, каждая из которых имеет 7 разных значений, является трансвычислительным.

В учебнике по основам геоинформатики так определяют информацию – это все, что может быть сообщено. Различия делаются для существующей (как бы потенциальной) информации и передаваемой (аналог кинетической энергии). Передаваемая информация зависит от более или менее удачно подобранных знаковых систем и отдельных знаков. Существующая информация объективна и определяется только объектом или явлением, в котором заключена.

Определений знаний не меньше, чем информации. По мнению некоторых информация отлична от знания тем, что для нее нет количественной меры. Знания – это интерпретация информации. То есть информация, включенная в коммуникативный процесс (с участием человека) становится знанием. Однако интерпретация (объяснение) может не ограничиваться знанием: этот ряд можно дополнить: информация – знание – мысль (гипотеза).

Иначе говоря, с позиции геоинформатики знания – это отражение смысловых (семантических) аспектов географической действительности (воспринимаемых как «безучастная» информация) в мозгу человека или в технической системе, т.е. интерпретация информации об окружающих объектах и явлениях.

В геоинформационной практике терминами «данные» (совокупность фактов в формализованном виде) и «информация» часто пользуются как синонимами.