Принципы создания и функционирования ГИС

С каждым годом информационные потребности человека затрагивают все новые сферы его деятельности. Практически во всех современных отраслях знаний накоплен богатый опыт использования информации, получаемой из многочисленных источников.

Со временем значительная часть информации быстро меняется, и поэтому все труднее становится ее использование в традиционном бумажном виде для принятия управленческих решений, в том числе и в области Государственного земельного кадастра и управления земельными ресурсами. Быстроту получения информации и ее актуальность может гарантировать только автоматизированная система. Поэтому возникла необходимость создания автоматизировано системы, имеющей большое количество графических и тематических баз данных и соединенной с модельными расчетными функциями для преобразования данных в пространственную информацию и последующего принятия управленческих решений.

К таким системам можно отнести и многофункциональную информационную систему, предназначенную для сбора, обработки, моделирования пространственных данных, их отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Таким образом, основная задача ГИС – формирование знаний о земном шаре, его отдельных территориях, а также обеспечение пространственными данными различных пользователей. Поэтому предметом ГИС является исследование закономерностей информационного обеспечения пользователей, включая принципы построения системы сбора, накопления, обработки, моделирования и анализа пространственных данных, их отображения и использования, доведения до пользователей, формирования технических программных средств, разработки технологии изготовления электронных и цифровых карт, формирования соответствующих организационных структур.

ГИС используют практически во всех отраслях и областях знаний: в навигации, на транспорте и в строительстве, в геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии, тематической картографии и др. Возможность проанализировать географическое расположение большого числа объектов недвижимого имущества, их количественных и качественных характеристик на основе картографического материала позволяет управляющим структурам принимать обоснованные решения по управлению территорией. В картографических данных также нуждаются специалисты, оценивающие и прогнозирующие состояние любой области человеческой деятельности, например, рынков сбыта продукции, загрязнений территории и т.п.

ГИС – цифровая модель реального пространственного объекта местности в векторной, растровой и других формах.

Функции ГИС заключаются в сборе, системной обработке, моделировании и анализе пространственных данных, их отображения и использовании при подготовке и решении управленческих решений.

ГИС используют для решения разнообразных задач, основные из которых можно сгруппировать следующим образом:

поиск и рациональное использование природных ресурсов;

территориальное и отраслевое планирование и управление размещением промышленности, транспорта, сельского хозяйства, энергетики, финансов;

обеспечение комплексных и отраслевых кадастров;

мониторинг экологических ситуаций и опасных природных явлений, оценка техногенных воздействий на среду и их последствий, обеспечение экологической безопасности страны и регионов, экологическая экспертиза;

контроль условий жизни населения, здравоохранение и образование, социальное обслуживание, обеспеченность работой и др.;

обеспечение деятельности органов законодательной и исполнительной власти, политических партий и движений, средств массовой информации;

обеспечение деятельности правоохранительных органов и силовых структур;

научные исследования и образование;

картографирование (комплексное и отраслевое): создание тематических карт и атласов, обновление карт, оперативное картографирование.

ГИС должна иметь разветвленную структуру, аппаратные средства и программное обеспечение, позволяющее обрабатывать и передавать большие объемы информации.

Для такой системы характерны непрерывное усложнение, развитие технологических процессов, увеличение числа источников информации.

В литературных источниках встречаются различные модели, определяющие составные части ГИС. С точки зрения информатики любую информационную систему можно представить, как четырехкомпонентную модель, которая включает:

аппаратное обеспечение (весь комплекс технических средств – процессоры, периферия и др.);

программное обеспечение (методы и средства, обеспечивающие функции хранения, анализа и предоставления данных);

данные (качественные и количественные характеристики исследуемого объекта или явления);

пользователей системы.

Более устойчива модель ГИС, в основу которой положен функциональный принцип. Основные компоненты (подсистемы) такой системы:

подсистема ввода и преобразования данных;

подсистема обработки и анализа данных;

подсистема хранения данных;

баз данных (БД);

система управления базой данных (СУБД);

подсистема вывода (визуализации) данных;

подсистема предоставления информации;

пользовательский интерфейс (рис. 1)

Рис. 1. Структура географической геоинформационной системы

 

Каждая из подсистем выполняет определенные функции, и отсутствие хотя бы одной из них свидетельствует о неполноценности ГИС-системы.

Ядром каждой информационной системы (ГИС в том числе) является база данных под которой понимают поименованную совокупность данных, отображающую состояние объекта, его свойства и взаимоотношения с другими объектами, а также комплекс технических и программных средств для ведения этих баз данных.

Формирование структуры ГИС начинается с формирования баз данных, основанных на территориальной (географической) привязке данных, поскольку все ГИС-системы имеют дело только с пространственно-координированными данными. Территориальная упорядоченность сведений важна не только с точки зрения унификации их сбора, но и установления оптимального соответствия размерам исследуемых систем. Наряду с данными, приуроченными к точкам и линиям поточечно фиксируемыми координатами, иногда их привязывают к границам административно-территориальных образований или природных контуров, например, гидрографической сети, элементам рельефа местности и т.д.

База данных ГИС, включает графические и атрибутивные данные, которые могут храниться вместе или отдельно.

Важная составная часть ГИС – базы данных, в которых содержится тематическая информация. В связи со стремительно уменьшающейся стоимостью запоминающих устройств хранение информации в ЭВМ стоит дешевле, чем на бумажных носителях. Впервые понятие «базы данных» появилось в начале 60-х годов. До этого времени данные представлялись в виде простых последовательных файлов на магнитной ленте и зависели от программ обработки. Если менялись организация данных или тип запоминающего устройства, программисту приходилось заново переписывать программу, существовали многочисленные версии одного и того же файла. Это приводило к очень высокой степени дублирования данных, их избыточности.

В базах данных совокупность взаимосвязанных хранящихся вместе данных организована так, что их использование оптимально для оного или нескольких приложений; данные независимы от программ, использующих эти данные; для добавления новых или модификации существующих данных, а также для поиска данных в БД применяют общий управляемый способ. Данные структурируются таким образом, чтобы была обеспечена возможность дальнейшего наращивания приложений.

Основная идея организации структуры базы данных заключается в том, чтобы максимально нормализовать их, т.е. разбить на смысловые и функциональные группы.

При организации баз данных различают:

тип данных (картографические и атрибутивные (описательные);

структуру данных (топология и слои);

модель данных (иерархические, сетевые, реляционные, гибридные);

форму предоставления пространственных данных (векторную, растровую, трехмерную).

Существуют два главных типа данных ГИС: картографические и атрибутивные (описательные).

Картографические данные – это картографическая информация, хранящаяся в цифровой форме. Данные формируются по географическим объектам, описываемым на карте. Большую часть этих объектов можно классифицировать на точки, линии и полигоны.

Точка представляет собой объект, для которого требуется географическое местоположение (например, широта, долгота). Примером характеристик точек могут служить места расположения колодцев, реперов и т.д.

Линия состоит из серии связанных друг с другом точек и имеет только длину. Примером характеристики линейного объекта могут служить дорога, трубопровод и т.д.

Полигон – это площадь, ограниченная замкнутой линией. Полигон расположен на плоскости и имеет два размера: длину и ширину. В качестве образца характеристики полигона можно привести участки с определенным типом почвы, здания, озера, леса, неиспользуемые земельные участки и т.д.

К данным, используемым в ГИС, относится описательная информация, которая храниться в базе данных об объектах (точка, линия, полигон), расположенных на карте. Описательную информацию называют атрибутом. Атрибуты для описания сельскохозяйственного угодья, можно представить в следующем виде:

Формально все объекты представляют с помощью их описания набором характеристик, а их хранение – в соответствующих графических и параметрических базах данных. Выделяют три группы признаков (характеристик) описание объектов: идентификационные, классификационные, выходные.

Идентификационные характеристики служат для однозначного определения местоположения объекта на карте и его опознания. К ним относятся название географического объекта, координаты, род объекта и т.д.

Классификационные характеристики служат для количественного и качественного описания объекта, и используют их для получения производственных характеристик путем математической обработки (качественный и количественный анализ, моделирование и т.д.).

Выходные характеристики содержат информацию об источниках и датах получения соответствующих данных по каждой из характеристик для любого объекта. Назначением данной группы признаков является обеспечением возможности определения достоверной поступающей информации.

При выполнении пространственных запросов атрибутика помогает более точно идентифицировать объект. Предпочтение в ГИС отдают двум формам запроса к атрибутике: языку запросов SQL (Structured Query Language) и шаблону.

Идентификаторы предназначены для осуществления связи картографических и атрибутивных данных, так как в большинстве ГИС эти характеристики объектов обрабатываются раздельно. Пользователь может указать на объект, например, курсором, и система определит его идентификатор, по которому найдет относящиеся к объекту одну или несколько бах данных и, наоборот, по информации в базе определит графический объект.

Пространственные данные в современных ГИС представлены в двух основных формах: векторной и растровой.

Векторная модель данных основывается на представлении карты в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур.

Растровая модель данных основывается на представлении карты с помощью регулярной сетки одинаковых по форме и площади элементов.

Векторные модели используют в ГИС для предоставления информации, которую в дальнейшем нужно обрабатывать (обновлять, корректировать, удалять). Растровые модели используют в качестве подложки для дальнейшей векторизации картографического изображения.

Базы данных делят на иерархические, сетевые и реляционные.

Иерархические базы данных устанавливают строгую подчиненность между записями и состоит из упорядоченного набора деревьев (из упорядоченного набора нескольких экземпляров одного типа дерева). Тип дерева состоит из одного «корневого» типа записи и упорядоченного набора из нуля или более типов поддеревьев (каждое из которых является некоторым типом дерева).

Сетевые базы данных используют в том случае, если структура данных сложнее, чем обычная иерархия, т.е. простота структуры иерархической базы данных становится ее недостатком. Организация сетевых и иерархических баз данных должна быть жесткая. Наборы отношений и структуру записей необходимо задавать заранее.

Общие правила определения целостности баз данных отсутствуют. В некоторых системах поддерживаются ограничения уникальности значений некоторых полей, но в основном все возлагается на прикладную программу.

Для эффективного выполнения задач создания методов ввода, обновления, обеспечения файлового хранения и контроля за доступом пользователя к файлам вывода требуется создать гибкую и хорошо организованную ГИС.

 

Структура и классификация.

Обязательными элементами более или менее полного определения ГИС следует считать указание на “ пространственность”, операционно-функциональные возможности и прикладную ориентацию систем.

Считалось, имея ввиду ГИС профессионально - географической направленности, что пространственность является необходимым условием для квалификации некоторой информационной системы как географической (например, автоматизированные радионавигационные системы, хотя и оперируют пространственно определенными данными, к географическим информационным системам не принадлежат). Основанием для отличия “ географических” от “ негеографических “ информационных систем не может служить и содержание собираемых данных: идентичные по своему содержанию базы данных могут обслуживать совершенно различные (в том числе чисто географические и явно негеографические) приложения. Наоборот, системы разного целевого назначения вынуждены аккумулировать одинаковые сведения. Например, база данных с цифровым представлением рельефа используется для автоматизированного вычерчивания изогипс на топографической карте (топографическая картография), расчета и картографирования морфометрических показателей (геоморфология и тематическая картография), поиска оптимальных трасс шоссейных дорог или иных коммуникаций (инженерные изыскания и проектирование).

Одной из разновидностей ГИС становятся системы, основанные на материалах дистанционного зондирования, объединяющие функциональные возможности геоинформационных технологий с развитыми функциями обработки дистанционных изображений, так называемые интегральные (интегрированные) ГИС.

Минимальный набор критериев, позволяющих идентифицировать каждую конкретную геоинформационную систему, образует “ систему координат “ трехмерного пространства, осями которого являются: территориальный охват и связанный с ним функционально масштаб (или пространственное разрешение), предметная область информационного моделирования и проблемная ориентация.

При всем многообразии операций, целей, областей информационного моделирования, проблемной ориентации и иных атрибутов, характерных для создаваемых и действующих ГИС, логически и организационно в них можно выделить несколько конструктивных блоков, называемых также модулями или подсистемами, выполняющими более или менее четко определенные функции. Функции ГИС в свою очередь вытекают из четырех типов решаемых ею задач:

Что касается классификации ГИС, то здесь наметилось тоже несколько направлений. Например, классификация по их проблемной ориентации:

Инженерные;

Имущественные (ГИС для учета недвижимости), предназначенные для обработки кадастровых данных;

ГИС для тематического и статистического картографирования, имеющие целью управление природными ресурсами, составление карт переписям и планирование окружающей среды;

Библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множестве географических документов;

Географические файлы с данными о функциональных и административных границах;

Системы обработки изображений с Ландсата и др.

Однако быстрая изменчивость и множественность вариантов решаемых проблем требует введения иных классификаций, учитывающих структуру и архитектуру ГИС. Разработана и представлена 3 - х компонентная классификация ГИС по следующим признакам:

1) характеру проблемно - процессорной модели;

2) структуре модели баз данных;

3) особенностям модели интерфейса.

На верхнем уровне классификации все информационные системы подразделены на пространственные и непространственные. ГИС, естественно, относятся к пространственным, делясь на тематические (например, социально - экономические) и земельные (кадастровые, лесные, инвентаризационные и др.). Существует разделение по территориальному охвату (общенациональные и региональные ГИС); по целям (многоцелевые, специализированные, в том числе информационно - справочные, инвентаризационные, для нужд планирования, управления); по тематической ориентации (общегеографические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, туризма, рекреации и др.).

 

1.

1.1.

1.2.