Географические информационные системы

1. MapInfo Professional – полнофункциональная геоинформационная система;
2. MapBasic – среда программирования для MapInfo Professional;
3. MapInfo SpatialWare – технология управления пространственной информацией в БД SQL Server/Informix;
4. MapInfo MapX – библиотека разработчика приложений;
5. MapXtreme – программное обеспечение для разработки картографических приложений для Intranet или Internet.

В  дополнение  к  традиционным  для  СУБД  функциям,  ГИС  MapInfo Professional позволяет  собирать,  хранить,  отображать,  редактировать  и  обрабатывать  картографические  данные, хранящиеся в базе данных, с учетом пространственных отношений объектов. В одном сеансе работы одновременно могут использоваться данные разных форматов. Встроенный  язык  запросов SQL,  благодаря  географическому  расширению,  позволяет организовывать  выборки  с  учетом пространственных  отношений  объектов,  таких  как  удаленность,  вложенность, перекрытия, пересечения, площади объектов и т.п. Запросы к базе данных можно сохранять в виде шаблонов для дальнейшего использования. В MapInfo имеется возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе индексов.

Для  наглядного  представления  и  картографического  анализа  пространственных данных в ГИС MapInfo используется тематическое картографирование. MapInfo предлагает следующие методы построения тематических карт: диапазоны  значений, столбчатые и круговые  диаграммы,  градуированные  символы,  плотность  точек,  отдельные  значения,  непрерывная  поверхность. Сочетание тематических слоев и методов буферизации, районирования, слияния и разбиения объектов, пространственной и  атрибутивной  классификации позволяет  создавать  синтетические многокомпонентные карты с иерархической структурой. 

ГИС MapInfo открывает большие  возможности для разработчиков  геоинформационного программного обеспечения. Использование  современных методов взаимодействия между Windows приложениями позволяет интегрировать окно Карты MapInfo в программы, написанные на языках Delphi, Visual Basic, C++, PowerBuilder  и др.  Совместное  использование MapInfo  и  среды  разработки MapBasic дает возможность каждому создавать специфические приложения для решения конкретных прикладных задач.

Известные программные  продукты ведущих мировых компаний-разработчиков  программного обеспечения ГИС при  всех достоинствах обладают одним существенным недостатком высокой стоимостью, составляющей тысячи и десятки тысяч долларов.

Что касается компонента «Данные», то ГИС нацелена на совместную обработку информации двух типов: 

1. географическая (пространственная, картографическая) информация;
2. атрибутивная  (непространственная,  семантическая,  тематическая,  описательная,  табличная) информация. 

Географическая информация в ГИС представлена данными, описывающими пространственное месторасположение  объектов (координаты,  элементы  графического  оформления). Данные  находятся в цифровой форме на магнитных лентах, магнитных, оптических и “жестких” дисках и служат для визуализации картины в той или иной модели данных. 

Атрибутивная информация в ГИС – это данные, описывающие качественные или количественные параметры пространственно соотнесенных объектов. 

Так, например, жилая постройка  на дисплее может быть представлена в виде полигона (графическая составляющая), а в атрибутивной базе данных будет содержаться информация об ее площади, почтовом адресе, количестве этажей, материале стен, типе фундамента, годе постройки и т.д. 

В геоинформационной  системе присутствует подсистема управления как географической, так и атрибутивной информации. Пространственный анализ, который включает в себя проверку взаимного  расположения  объектов,  установление  закономерностей  их  распределения,  нахождение  смежных объектов, измерение  расстояния и площади и  т.д., проводят  с  опорой на  географическую информацию. Функции семантической (непространственной) обработки предназначены для анализа и управления атрибутивной информацией, рис. 10.

 

Вычисление кратчайшего  пути в геоинформационной 

системе ArcView GIS

Рис. 10.

 

Создание и управление ГИС невозможно без людей. Персоналом ГИС являются как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, создающие и управляющие данными, так непосредственные пользователи.

 

4. Методы и технологии моделирования в ГИС

В ГИС можно выделить четыре основные группы моделирования:

1. Семантическое – на уровне сбора информации;
2. Инвариантное – основа представления карт, за счёт использования специальных библиотек, например библиотек условных знаков и библиотек графических элементов;
3. Эвристическое – общение пользователя с ЭВМ на основе сценария, учитывающего технологические особенности программного обеспечения и особенности обработки данной категории объектов (занимает ведущее место при интерактивной обработке и в процессах контроля и коррекции);
4. Информационное - создание и преобразование разных форм информации в вид, задаваемый пользователем (является основным в подсистемах документационного обеспечения).

При моделировании в  ГИС можно выделить следующие  программно-технологические блоки:

1. Операции преобразования форматов и представления данных. Имеют важное значение для ГИС как средство обмена данными с другими системами. Преобразование форматов осуществляется с помощью специальных программ-конверторов (AutoVEC, WinGIS, ArcPress).
2. Проекционные преобразования. Осуществляют переход от одной картографической проекции к другой или от пространственной системы к картографической проекции. Как правило, иностранные программные средства не поддерживают напрямую распространённые в нашей стране проекции, а информацию о типе проекции и её параметрах получить довольно сложно. Это определяет преимущество отечественных разработок ГИС, содержащих наборы нужных проекционных преобразований. С другой стороны, широко распространённые в России разнообразные методы работы с пространственными данными нуждаются в анализе и классификации.
3. Геометрический анализ. Для векторных моделей ГИС это операции определения расстояний, длин ломаных линий, поиска точек пересечения линий; для растровых – операции идентификации зон, расчёта площадей и периметра зон.
4. Оверлейные операции: наложение разноимённых слоёв с генерацией производных объектов и наследованием их атрибутов.
5. Функционально-моделирующие операции:
1. расчёт и построение буферных зон (применяются в транспортных системах, лесном хозяйстве, при создании охранных зон вокруг озёр, при определении зон загрязнения вдоль дорог);
2. анализ сетей (позволяют решать оптимизационные задачи на сетях – поиск путей, аллокация, районирование);
3. генерализация (предназначены для отбора и отображения картографических объектов соответственно масштабу, содержанию и тематической направленностью);
4. цифровое моделирование рельефа (заключается в построении модели базы данных, наилучшим образом отображающей рельеф исследуемой местности).

 

5. ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ в ГИС

Комплексная система защиты информации должна строиться с учетом четырех уровней любой информационной системы (ИС), в т.ч. и геоинформационной системы:

1. Уровень прикладного программного обеспечения (ПО), отвечающий за взаимодействие с пользователем. Примером элементов ИС, работающих на этом уровне, можно назвать текстовый редактор WinWord, редактор электронных таблиц Excel, почтовая программа Outlook, броузер Internet Explorer и т.д.
2. Уровень системы управления базами данных (СУБД), отвечающий за хранение и обработку данных информационной системы. Примером элементов ИС, работающих на этом уровне, можно назвать СУБД Oracle, MS SQL Server, Sybase и даже MS Access.
3. Уровень операционной системы (ОС), отвечающий за обслуживание СУБД и прикладного программного обеспечения. Примером элементов ИС, работающих на этом уровне, можно назвать ОС Microsoft Windows NT, Sun Solaris, Novell Netware.
4. Уровень сети, отвечающий за взаимодействие узлов информационной системы. Примером элементов ИС, работающих на этом уровне, можно назвать протоколы TCP/IP, IPS/SPX и SMB/NetBIOS.

Система защиты должна эффективно функционировать на всех этих уровнях. Иначе злоумышленник сможет реализовать  ту или иную атаку на ресурсы ГИС. Например, для получения несанкционированного доступа к информации о координатах карт в базе данных ГИС злоумышленники могут попытаться реализовать одну из следующих возможностей:

1. Прочитать записи БД из MS Query, который позволяет получать доступ к записям многих СУБД при помощи механизма ODBC или SQL-запросов (уровень прикладного ПО).
2. Прочитать нужные данные средствами самой СУБД (уровень СУБД).
3. Прочитать файлы базы данных непосредственно на уровне операционной системы.
4. Отправить по сети пакеты со сформированными запросами на получение необходимых данных от СУБД или перехватить эти данные в процессе их передаче по каналам связи (уровень сети).

Для того, чтобы нельзя было реализовать ту или иную атаку, необходимо своевременно обнаружить и устранить уязвимости информационной системы. Причем на всех 4 уровнях. Помочь в этом могут средства анализа защищенности (security assessment systems) или сканеры безопасности (security scanners). Эти средства могут обнаружить и устранить тысячи уязвимостей на десятках и сотнях узлов, в т.ч. и удаленных на значительные расстояния.

Совокупность применения различных средств защиты на всех уровнях ГИС позволит построить эффективную и надежную систему обеспечения информационной безопасности геоинформационной системы. Такая система будет стоять на страже интересов и пользователей, и сотрудников компании-провайдера ГИС-услуг. Она позволит снизить, а во многих случаях и полностью предотвратить, возможный ущерб от атак на компоненты и ресурсы системы обработки картографической информации.

 

6. Поддержка принятия решения в ГИС

В современных сложных системах, основанных на самых передовых компьютерных технологиях и моделях сложных предметных областей, лицу, принимающему решение, все труднее и труднее выполнять свою самую главную обязанность – принимать решение. Поэтому проблема разработки систем поддержки принятия решения (СППР) на различных уровнях обработки информации является чрезвычайно важной и актуальной. Одним из наиболее перспективных направлений решения данной проблемы является создание СППР на основе ГИС.

Однако следует отметить, что ГИС – это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и обмысливание доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффектный и эффективный.

Цикл принятия решений  с использованием ГИС изображен на рис. 11.

 

 

Цикл принятия решений  с использованием ГИС

 

Рис. 11.

Разберем подробнее  цикл принятия решения.

1. Оценка реальной ситуации. Рассмотрим некую территорию, нуждающуюся в более совершенном управлении. События могут разворачиваться в эстуарии (устье реки), на участке берега или на каком-нибудь относительно большом участке в прибрежной зоне. Собрав необходимые данные, можно попробовать создать упрощенную модель состояния исследуемой территории или объекта (т.е. модель реальной ситуации). Собранные данные должны иметь пространственные и атрибутивные характеристики, которые в своей совокупности позволят пользователю ГИС определить, в каком месте прибрежной зоны происходят те или иные события. Главное – добиться того, чтобы полученные данные в точности отражали реальную ситуацию. Таким образом, важнейшее значение здесь имеют два фактора: выбор источников данных и качество собранной информации.
2. ГИС. Полученные характеристики вводятся в ГИС, которая содержит, таким образом, несколько "слоев" (layers) данных, составляющих в целом некоторую модель реальной ситуации. Посредством частичного наложения или комбинирования отдельных "слоев" можно выявлять и распознавать различные пространственные соотношения и взаимосвязи. Кроме того, поскольку все данные хранятся в базе данных, они могут использоваться для статистического анализа. Существует несколько методов ввода данных в ГИС. От способа ввода данных может зависеть их качество и формат. Данные могут храниться в базе данных ГИС в растровом или векторном форматах. Формат данных тоже способен влиять на их качество. 
3. Решение. Данные, полученные на выходе ГИС, могут использоваться для принятия решений по управлению прибрежной зоной. Безусловно, сами эти данные влияют на характер принимаемого решения, хотя оно и зависит от конкретной ситуации. Важно, однако, помнить, что сами ГИС никаких решений не принимают: они всего лишь снабжают своих пользователей информацией в такой форме, которая облегчает принятие решений. Исследования завершаются принятием решений, которые в свою очередь неизбежно окажут то или иное влияние на существующую ситуацию. Но функции ГИС на этом не прекращаются: они продолжают следить за происходящими изменениями и на этой основе совершенствовать управление ситуацией.
 

7. Приложения и применение ГИС

Ученые подсчитали, что 85% информации, с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет  территориальную привязку. Поэтому  перечислить все области применения ГИС просто невозможно. Этим системам можно найти применение практически в любой сфере трудовой деятельности человека.

ГИС эффективны во всех областях, где осуществляется учет и управление территорией и объектами на ней. Это практически все направления  деятельности органов управления и администраций: земельные ресурсы и объекты недвижимости, транспорт, инженерные коммуникации, развитие бизнеса, обеспечение правопорядка и безопасности, управление ЧС, демография, экология, здравоохранение и т.д.

ГИС позволяют точным образом учитывать координаты объектов и площади участков. Благодаря возможности комплексного (с учетом множества географических, социальных и других факторов) анализа информации о качестве и ценности территории и объектов на ней, эти системы позволяют наиболее объективно оценивать участки и объекты, а также могут давать точную информацию о налогооблагаемой базе.

В области транспорта ГИС давно уже показали свою эффективность  благодаря возможности построения оптимальных маршрутов как для  отдельных перевозок, так и для целых транспортных систем, в масштабе отдельного города или целой страны. При этом возможность использования наиболее актуальной информации о состоянии дорожной сети и пропускной способности позволяет строить действительно оптимальные маршруты.

Учет коммунальной и промышленной инфраструктуры - задача сама по себе не простая. ГИС не только позволяет эффективно ее решать, но и также повысить отдачу этих данных в случае чрезвычайных ситуаций. Благодаря ГИС специалисты различных ведомств могут общаться на общем языке.

Интеграционные возможности  ГИС поистине безграничны. Эти системы  позволяют вести учет численности, структуры и распределения населения  и одновременно использовать эту  информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка.

ГИС позволяют вести  мониторинг экологической ситуации и учет природных ресурсов. Они  не только могут дать ответ, где сейчас находятся "тонкие места", но и благодаря возможностям моделирования подсказать, куда нужно направить силы и средства, чтобы такие "тонкие места" не возникали в будущем.

С помощью геоинформационных  систем определяются взаимосвязи между  различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью сельскохозяйственных культур), выявляются места разрывов электросетей.