Географические информационные системы (ГИС)

Федеральное агентство  по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

 

Кафедра информатики и информационных технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

 

Реферат по дисциплине «Введение в специальность»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель Поршнев С.В.

 

Студент гр. 190302  Иванов А.В.

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2009 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение

Географические информационные системы (ГИС) лежат в основе геоинформатики – новой современной научной  дисциплины, изучающей природные  и социально-экономические геосистемы различных иерархических уровней посредством аналитической компьютерной обработки создаваемых баз данных и баз знаний.

Геоинформатика, как и другие науки о Земле, направлена на изучение процессов и явлений, происходящих в геосистемах, но пользуется для этого своими средствами и методами.

Как было сказано выше, основой геоинформатики  является создание компьютерных ГИС, имитирующих  процессы, происходящие в изучаемой геосистеме. Для этого необходимо прежде всего информация (как правило, фактический материал), которая группируется и систематизируется в базах данных и базах знаний. Информация может быть самой разнообразной – картографической, точечной, статической, описательной и т.п. В зависимости от поставленной цели, обработка ее может производиться либо с помощью существующих программных продуктов, либо с использованием оригинальных методик. Поэтому в теории геосистемного моделирования и разработки методов пространственного анализа в структуре геоинформатики придается важное значение.

Существуете несколько определений ГИС. В целом они сводятся к следующему: географическая информационная система – это интерактивная информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, доступ, отображение пространственно-организованных данных и ориентированная на возможность принятия научно-обоснованных управленческих решений.

Целью создания ГИС может  быть инвентаризация, кадастровая оценка, прогнозирование, оптимизация, мониторинг, пространственный анализ и т.п. Наиболее сложной и ответственной задачей при создании ГИС является управление и принятие решений. Все этапы – от сбора, хранения, преобразования информации до моделирования и принятия решений в совокупности с программно-технологическими средствами объединяются под общим названием – геоинформационные технологии (ГИС-технологии).

Таким образом, ГИС-технологии – это современный системный  метод изучения окружающего географического  пространства с целью оптимизации  функционирования природно-антропогенных  геосистем и обеспечения их устойчивого  развития.

В реферате рассмотрены принципы создания и актуализации географических информационных систем, а также их приложения и применение.

 

1. Общая характеристика ГИС

Современные геоинформационные  системы (ГИС) представляют собой новый  тип интегрированных информационных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных многих ранее существовавших автоматизированных систем (АС), с другой – обладают спецификой в организации и обработке данных. Практически это определяет ГИС как многоцелевые, многоаспектные системы.

На основе анализа  целей и задач различных ГИС, функционирующих в настоящее время, более точным следует считать определение ГИС как геоинформационных систем, а не как географических информационных систем. Это обусловлено и тем, что процент чисто географических данных в таких системах незначителен, технологии обработки данных имеют мало общего с традиционной обработкой географических данных и, наконец, географические данные служат лишь базой решения большого числа прикладных задач, цели которых далеки от географии.

Итак, ГИС – автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация.

В ГИС осуществляется комплексная обработка информации – от ее сбора до хранения, обновления и представления, в связи с этим следует рассмотреть ГИС с различных позиций.

Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения  принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским  хозяйством, по управлению транспортом и розничной торговлей, использованию океанов или других пространственных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.

В отличие от автоматизированных систем управления (АСУ) в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служат мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.

Как автоматизированные информационные системы ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных          справочно-информационных систем (АСИС) и др. Основу интеграции технологий ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточно апробированы, это, с одной стороны, обеспечило качественно более высокий уровень развития ГИС, с другой – существенно упростило решение проблемы обмена данными и выбора систем технического обеспечения. Этим самым ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС.

Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы, системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизированные фотограмметрические системы (АФС), земельные информационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые системы (АКС) и т.п.

Как системы, использующие базы данных, ГИС характеризуются широким  набором данных, собираемых с помощью  разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных. В связи с большим значением экспертных задач, решаемых при помощи ГИС, возрастает роль экспертных систем, входящих в состав ГИС.

Как системы моделирования ГИС  используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.

Как системы получения проектных  решений ГИС во многом применяют  методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных  задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются.

Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных  технологий мультимедиа. Это определяет большую наглядность выходных данных ГИС по сравнению с обычными географическими картами. Технологии вывода данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать атрибутивные данные в табличной или графовой форме.

Как интегрированные системы ГИС  являют собой пример объединения  различных методов и технологий в единый комплекс, созданный при интеграции технологий на базе технологий САПР и интеграции данных на основе географической информации.

Как прикладные системы ГИС не имеют  себе равных по широте применения, так  как используются на транспорте, в  навигации, геологии, географии, военном  деле, топографии, экономике, экологии и т.д. Благодаря широким возможностям ГИС на их основе интенсивно развивается тематическое картографирование.

Как системы массового пользования  ГИС позволяют применять картографическую информацию на уровне деловой графики, что делает их доступными любому школьнику или бизнесмену, не только специалисту географу. Именно поэтому при принятии решений на основе ГИС-технологий не всегда создают карты, но всегда используют картографические данные.

Как уже говорилось, в  ГИС используются технологические  достижения и решения, применимые в  таких автоматизированных системах как АСНИ, САПР, АСИС, экспертных системах. Следовательно, моделирование в ГИС носит наиболее сложный характер по отношению к другим автоматизированным системам. Но с другой стороны, процессы моделирования в ГИС и в какой-либо из вышеприведенных АС весьма близки.

АСУ полностью интегрирована  в ГИС и может быть рассмотрена  как подмножество этой системы.

На уровне сбора информации технологии ГИС включают в себя отсутствующие в АСУ методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования навигационных систем, технологии реального масштаба времени, и т.д.

На уровне хранения и  моделирования дополнительно к  обработке социально-экономических  данных (как и в АСУ) технологии ГИС включают в себя набор технологий пространственного анализа, применение цифровых моделей и видеобаз данных, а также комплексный подход к принятию решений.

На уровне представления  ГИС дополняет технологии АСУ  применением интеллектуальной графики (представление картографических данных в виде карт, тематических карт или на уровне деловой графики), что делает ГИС более доступными и понятными по сравнению с АСУ для бизнесменов, работников управления, работников органов государственной власти и т.д.

Таким образом, в ГИС  принципиально решаются все задачи, выполняемые прежде в АСУ, но на более высоком уровне интеграции и объединения данных. Следовательно, ГИС можно рассматривать как новый современный вариант автоматизированных систем управления, использующих большее число данных и большее число методов анализа и принятия решений, причем в первую очередь использующих методы пространственного анализа (см. рис. 1).

 

Дополнительные возможности  ГИС по сравнению с АСУ по основным уровням обработки данных

Рис. 1.

 

2. Особенности организации данных в ГИС

ГИС использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения.

Для того чтобы полностью  отобразить геообъекты реального мира и все их свойства, понадобилась бы бесконечно большая база данных. Поэтому, используя приемы генерализации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, легко поддающемуся анализу и управлению. Это достигается применением моделей, сохраняющих основные свойства объектов исследования и не содержащих второстепенных свойств. Поэтому первым этапом разработки ГИС или технологии ее применения является обоснование выбора моделей данных для создания информационной основы ГИС.

Выбор метода организации  данных в геоинформационной системе, и, в первую очередь, модели  данных,  т.е.  способа  цифрового  описания  пространственных  объектов, определяет многие функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость тех или иных технологий ввода. От модели зависит как пространственная точность представления визуальной части информации, так и возможность получения  качественного  картографического  материала  и  организации  контроля  цифровых  карт.  От способа  организации  данных  в  ГИС  очень  сильно  зависит  производительность  системы, например, при выполнении запроса к базе данных или рендеринге (визуализации) на экране монитора. 

Ошибки в выборе модели данных могут  сказаться решающим образом на возможности реализации в ГИС необходимых функций и расширения их списка в будущем, эффективности выполнения проекта с экономической точки зрения. От выбора модели данных напрямую зависит ценность формируемых баз данных географической и атрибутивной информации.

Уровни организации данных можно представить в виде пирамиды, рис.2. Модель данных – это концептуальный уровень организации данных. Термины, типа

“полигон”, “узел”, “линия”, “дуга”, “идентификатор”, “таблица”  как раз относятся к этому  уровню, в равной степени, как и  понятия “тема” и “слой”.

Уровни организации  данных в ГИС

Рис. 2.

 

Более подробное  рассмотрение организации данных часто называется  структурой данных. В структуре фигурируют математические и программистские  термины, такие как “матрица”, “список”, “система ссылок”, “указатель”, “способ  сжатия информации”. На следующем по детальности уровне организации данных специалисты имеют дело со структурой файлов данных и их непосредственными форматами. Уровень организации конкретной БД является уникальным для каждого проекта.

ГИС, впрочем, как и  любая другая информационная система, обладает развитыми средствами обработки и анализа входящих данных с целью дальнейшей их реализации в вещественной форме. На рис. 3. представлена схема аналитической работы ГИС. На первом этапе производится “коллекционирование”  как географической (цифровые  карты,  изображения),  так и атрибутивной  информации. Собранные данные  являются  наполнением двух  баз данных.  Первая  БД  хранит  картографические данные, вторая же наполнена информацией описательного характера.

На втором этапе система обработки  пространственных  данных  обращается  к  базам  данных  для  проведения  обработки  и  анализа востребованной  информации.  При  этом  весь  процесс  контролируется  системой  управления  БД (СУБД),  с  помощью  которой можно  осуществлять  быстрый  поиск  табличной  и  статистической  информации. Конечно, главным результатом работы ГИС являются разнообразные карты.

Для организации  связи  между  географической и атрибутивной информацией используют четыре подхода взаимодействия. Первый подход – геореляционный или, как его еще называют, гибридный. При  таком подходе  географические и  атрибутивные  данные  организованы по-разному. Между двумя  типами  данных  связь  осуществляется  посредством  идентификатора  объекта.  Как  видно из     рис. 3.,  географическая информация хранится отдельно от атрибутивной в своей БД. Атрибутивная информация организована в таблицы под управлением реляционной СУБД.