Геоинформационные системы

Как работает ГИС

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация, где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

Векторная и растровая модели.

  ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.

Задачи, которые решает ГИС.

  ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

● Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

● Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

● Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

● Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

● Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Связанные технологии.

  ГИС тесно связана рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанциировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

Системы настольного картографирования

  используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.

Системы САПР

  способны чертежи проектов и планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами. Они основываются на небольшом числе правил объединения компонентов и имеют весьма ограниченные аналитические функции. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять и анализировать большие базы пространственных данных.

Дистанционное зондирование и GPS

. Методы дистанционного зондирования - это искусство и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования или других устройств. Эти датчики собирают данные в виде изображений и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных изображений. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.

Системы управления базами данных

предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

Облать применения

● геологические исследования на нефть и газ и инженерная геология: аэрокосмические снимки, их общая и тематическая обработка, дешифрирование снимков и их интерпретация, получение представления о поверхностном и глубинном строении региона; прогнозные оценки структур, перспективных на нефть и/или газ. Рекомендации по выбору трасс для протяженных инженерных коммуникаций и строительных площадок с учетом геодинамических факторов; 
 
● использование ГИС и ГИС-технологий в военном деле: интерпретация спутниковой информации (ближневосточные конфликты, Югославия); Жалковский Е.А. и крылатые ракеты, наводящиеся по рельеф; примеры из работ по Палаццо (компактное представление промышленности региона и даже целой страны, проблема функционального ущерба и так называемых «болевых точек» (6-ая армия Паулюса, Сталинград и Кавказ (нефть)); 
 
● розничная торговля: расположение большинства новых супермаркетов за пределами центра города выбирается с помощью ГИС. ГИС используется для хранения социально-экономических деталей обстановки и потенциальных заказчиков в заданной области. Расположение склада и зона обслуживания может быть разработана с помощью вычисления времени доставки и моделирования влияния конкурирующих складов. Кроме того, ГИС используется и для управления поставками; 
 
● коммунальное хозяйство: компании, предоставляющие коммунальные услуги, должны быть (но пока не являются!) наиболее активными пользователями ГИС. В частности, ГИС используются для построения базы данных об основных средствах коммунальной службы (трубопроводы, кабели, насосы, распределительные станции и т.п.), а также об объектах обслуживания и их характеристиках. Эти данные являются центральной частью в планировании их деятельности. Московское энергетическое ЧП в мае этого года и модели распространения чрезвычайных ситуаций ; 
 
● строительство и ремонт объектов городского хозяйства: этот вид деятельности просто немыслим без широкого использования ГИС и связанных с ними технологий (а как же раньше обходились без этого?). Строительство перехода через железную дорогу, строительство эстакады (анализ грузопотоков и их особенностей), прокладка новых инженерных коммуникаций внутри города и масштабное строительство (уровень БАМ, еще одно обращение к Желтовскому); 
 
● мониторинг окружающей среды и задачи экологии: пожалуй, самыми первыми серьезно заинтересованными пользователями ГИС явились организации, заинтересованные в охране окружающей среды. На самом простейшем уровне ГИС используется для исследования состояния окружающей среды. Например, расположение и состояние лесов. Более сложные приложения используют аналитические способности ГИС для моделирования процессов в окружающей среде, таких как эрозия почв или разлив рек в случае большого количества осадков. Пожары, оценка динамики и ущерба. Возможный подход к мониторингу Чернобыльской катастрофы. «Пятна» на карте и механизм их образования;  
 
● местные администрации: это одни из самых активных потенциальных (но не реальных!) пользователей ГИС. Именно администрация (умная и грамотная!) должна наиболее активно использовать пространственную информацию. Любая область деятельности местной администрации может получить выгоды от использования ГИС. Например, ведение кадастра подведомственных территорий, управление ими, использование базы данных о подведомственных объектах недвижимости, транспортных и прочих коммуникациях, использование ГИС для оценки последствий чрезвычайных ситуаций и их устранения.

 
● здравоохранение: например, для определения кратчайшего пути от станции скорой помощи до пациента с учетом текущей дорожной обстановки. ГИС могут использоваться для анализа динамики эпидемиологической обстановки: характера заболеваний и причин их возникновения, геопатогенные зоны и рекомендации;  
 

● транспорт: планирование и поддержка транспортной инфраструктуры. В настоящее время большой интерес привлекают новые ГИС- технологии. Например, в задачах контроля движения большегрузных автомобилей (сериал «Дальнобойщики») на дальних трассах и пассажирского транспорта в городе (пропадание автобусов с трассы). В идеале, отображение их места нахождения на цифровой карте дисплея в кабине автомобиля и в центре управления перевозками; 
 

● финансовые услуги: в этой сфере использование ГИС напоминает использование их в розничной торговле. Речь, в частности идет, о расположении филиалов банков и зданий обществ. ГИС могут с успехом применяться для оценки рисков страхования, инвестиционных вложений. Для этого, в частности, могут использоваться базы данных о криминальной обстановке, геологии, состоянии дорог и др. 
 
● социальное развитие городского хозяйства: на примере развития города Королева, имеющего статус наукограда (анализ рынка труд и, рынка жилья, состояние имеющегося и сооружаемого жилфонда и пр. и пр.).

ГИС в России

Наибольшее распространение в  России имеют программные продукты ArcGIS и ArcView компании ESRI, семейство продуктов GeoMedia корпорации Intergraph и MapInfo Professional компании Pitney Bowes MapInfo. Используются также другие программные продукты отечественной и зарубежной разработки: Bentley's MicroStation, IndorGIS, STAR-APIC, Zulu, ДубльГИС и др.