Геоинформационные технологии

Геоинформатика (GIS tehnology, geo-informatics) - наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных технологий, или ГИС-технологий (GIS tehnology), по прикладным аспектам, или приложениям ГИС (GIS application) для практических или геонаучных целей.

Геоинформационные технологии - (GIS tehnology) - син. ГИС-технологии - технологическая основа создания географических информационных систем, позволяющая реализовать функциональные возможности ГИС.

Географическая информационная система (geographic(al) information system, GIS, spatial information system) - син. геоинформационная система, ГИС - информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных).

ГИС могут использоваться:

а) как информационные системы (визуальные базы данных), задачей которых является хранение информации о пространственных объектах и выдача ее по запросам с визуализацией объектов;

б) как информационные система с элементами обработки результатов топографо-геодезических съемок с дальнейшим занесением их в базу данных;

в) как комплексы, обслуживающие полный цикл по производству картографической продукции, начиная со сбора и обработки исходной информации и заканчивая подготовкой оригинал-макетов карт.

Для работы ГИС требуются мощные аппаратные средства: запоминающие устройства большой емкости, подсистемы отображения, оборудование высокоскоростных сетей.

В основе любой ГИС лежит информация о каком-либо участке земной поверхности: стране, континенте или городе. База данных организуется в виде набора слоев информации. Основной слой содержит географически привязанную карту местности (топооснова). На него накладываются другие слои, несущие информацию об объектах, находящихся на данной территории: коммуникации, промышленные объекты, земельные участки, почвы, коммунальное хозяйство, землепользование и другие. В процессе создания и наложения слоев друг на друга между ними устанавливаются необходимые связи, что позволяет выполнять пространственные операции с объектами посредством моделирования и интеллектуальной обработки данных. Как правило, информация представляется графически в векторном виде, что позволяет уменьшить объем хранимой информации и упростить операции по визуализации. С графической информацией связана текстовая, табличная, расчетная информация, координационная привязка к карте местности, видеоизображения, аудиокомментарии, база данных с описанием объектов и их характеристик. ГИС позволяет извлечь любые типы данных, визуализировать их. Многие ГИС включают аналитические функции, которые позволяют моделировать процессы, основываясь на картографической информации.

Основные сферы применения ГИС:

• геодезические, астрономо-геодезические и гравиметрические работы;

• топологические работы;

• картографические и картоиздательские работы;

• аэросъемочные работы;

• формирование и ведение банков данных перечисленных выше работ для всех уровней управления Российской Федерации, для отображения политического устройства мира, атласа автомобильных и железных дорог, границ РФ и зарубежных стран, экономических зон и т.д.

Но какими бы сложными не были функции, выполняемые той или иной ГИС, в любом случае информационная система работает с пространственными объектами и различными видами их представления. Поэтому можно говорить: данные, обрабатываемые ГИС, есть ни что иное как электронные карты. Электронная карта организована как множество слоев, функциональным назначением которых является объединение пространственных объектов (точнее набора данных характеризующих их в визуальной базе данных), имеющих какие-либо общие свойства. Такими свойствами могут быть:

- принадлежность к одному типу пространственных объектов (слой зданий, слой гидрообъектов, слой административных границ и т.д.);

- отображение на карте одним цветом;

- представление на карте одинаковыми графическими примитивами (линиями, точками, полигонами) и т.д.

Кроме того, слой может добавлять свойства объектам. Например, объекты, принадлежащие слою, не могут быть отредактированы, удалены, показаны и т.д.

Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте. В качестве отдельных слоев можно также представить исходные данные, в процессе обработки которых получается карта. Данные на этих слоях, как правило, могут обрабатываться как в интерактивном режиме так в полуавтоматическом и автоматическом.

ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых, квадротомических и иных), включает соответствующий задачам набор функциональных возможностей ГИС, в которых реализуются операции геоинформационных технологий, или ГИС-технологий (GIS tehnology), поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением.

Векторная графика - самая ранняя форма компьютерной графики. Ее основные примитивы - точка (узел), линия (край) и плоскость. Поскольку точка и плоскость представляют собой особые случаи линии, часто говорят о векторной графике как о линейной графике.

Растровая графика - новейшая форма компьютерной графики. Центральный элемент - пиксель. В настоящее время благодаря высокой степени разрешения экранов растрового изображения различают пассивную и интерактивную визуализацию. Распределение растровых точек представляет собой иерархический метод обращения в пространственном хранении данных, при этом область, подлежащая обработки, делится на растровые ячейки одинаковой величины. Обращение дано через индексы строк и столбцов, которые можно организовать как матрицы.

По территориальному охвату различают глобальные или планетарные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные или местные ГИС (lokal GIS).

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) и т.п.; среди них особое наименование, как особо широко распространенные, получили земельные информационные системы.

Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (материалов дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Полимасштабные или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением.

Пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными.

Реализация геоинформационных проектов (GIS project), создание ГИС в широком смысле слова, включает следующие этапы:

- предпроектное исследование (feasibility stady), в том числе изучение требований пользователя (user requirements) и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС,

- технико-экономическое обоснование, оценка соотношения "затраты/прибыль" (costs/benefits);

- системное проектирование ГИС (GIS designing), включая стадию пилот-проекта (pilot-project), разработка ГИС (GIS development);

- тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (test area),

- прототипирование или создание опытного образца, прототипа (prototype);

- внедрение ГИС (GIS implementation), эксплуатация и использование.

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

Программное ядро ГИС можно разделить на части: инструментальные геоинформационные системы, вьюеры, векторизаторы, средства пространственного моделирования, средства дистанционного зондирования.

Инструментальные Геоинформационные системы обеспечивают ввод геопространственных данных, хранение в структурированных базах данных, реализацию сложных запросов, пространственный анализ, вывод твердых копий.

Вьюеры предназначены для просмотра введенной ранее и структурированной по правам доступа информации, позволяя при этом выполнять информационные запросы из сформированных с помощью инструментальных ГИС баз данных, в том числе выводить картографические данные на твердый носитель.

Векторизаторы растровых картографических изображений предназначены для ввода пространственной информации со сканера, включая полуавтоматические средства преобразования растровых изo6ражений в векторную форму.

Средства пространственного моделирования оперируют с пространственной информацией ориентированной на частные задачи типа моделирования процесса распространения загрязнений, моделирование геологических явлений, анализ рельефа местности.

Средства дистанционного зондирования предназначены для обработки и дешифрования цифровых изображений земной поверхности, полученных с борта самолета и искусственных спутников.

Лучшим продуктом в мире профессиональных ГИС считается Arc/Info for Windows NT.

Из множества программ, которые можно назвать ГИС-обеспечением можно рекомендовать следующие: Map Objects v.1.2; Map Objects Internet Server; Spatial Data Engine v.2.1.1.

ГИС-вьюеры - это программы, выполняющие функции только просмотра и конвертирования различных форматов, используемых для ГИС. Наиболее часто используются два таких продукта: WinGIS v.3.2 (PROGIS); BusinessMap Pro (ESRI).

К настольным ГИС относятся MapInfo Professional (MapInfo); PC ARC/INFO v.3.5.1 (ESRI); ArcView GIS v.3.0a (ESRI); Spatial Analyst (ESRI); Network Analyst (ESRI).

К системам пространственной обработки относятся Surfer v.6.0 (Golden Software, Inc.) и авторские разработки НРЦГИТ.

Геоинформационная система MapInfo была разработана в конце 80-х годов фирмой Mapping Information Systems Corporation (U.S.A.). ГИС MapInfo работает на платформах РС (Windows 3.x/95/98/NT), PowerPC (MacOS), Alpha, RISC (Unix). Файлы данных и программы MapBasic переносимы с платформы на платформу без конвертации.

Пакет MapInfo специально спроектирован для обработки и анализа информации, имеющей адресную или пространственную привязку. Операции, поддерживающие общение с базой данных, настолько просты, что достаточно небольшого опыта работы с любой базой данных, чтобы сразу использовать возможности компьютерной картографии в сфере Вашей деятельности. MapInfo - это картографическая база данных. Встроенный мощный язык запросов SQL MM, благодаря географическому расширению, позволяет организовать выборки с учетом пространственных отношений объектов, таких как удаленность, вложенность, перекрытие, пересечение, площадь и т.п. Запросы к базе данных можно сохранять в виде шаблонов для многократного использования. В MapInfo имеется возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе индексов.

MapInfo позволяет редактировать и создавать электронные карты. Оцифровка возможна как с помощью дигитайзера (графического планшета), так и по сканированному изображению. MapInfo поддерживает растровые форматы GIF, JPEG, TIFF, PCX, BMP, TGA (Targa), BIL (SPOT- спутниковые фотографии). Универсальный транслятор MapInfo импортирует карты созданные в форматах других геоинформационных и САПР-систем: AutoCAD (DXF, DWG), Intergraph/MicroStation Design (DGN), ESRI Shape файл, AtlasGIS, ARC/INFO Export (E00). Цифровая информация с GPS (навигационных приборов глобального позиционирования) и других электронных приборов вводится в MapInfo без использования дополнительных программ.

В MapInfo можно работать с данными в форматах Excel, Access, xBASE, Lotus 1-2-3 и текстовом формате. Конвертация файлов данных не требуется. К записям в этих файлах добавляются картографические объекты. Данные разных форматов могут использоваться одновременно в одном сеансе работы. Из MapInfo имеется доступ к удаленным базам данных ORACLE, SYBASE, INFORMIX, INGRES, QE Lib, DB2, Microsoft SQL и др.

В MapInfo имеется 5 основных типов окон: Карта, Список, Легенда, График и Отчет. В окне Карта доступны инструменты редактирования и создания картографических объектов, масштабирования, изменения проекций и другие функции работы с картой. Связанная с картографическими объектами информация может быть представлена в виде таблицы в окне Список. В окне График данные из таблиц можно показать в виде графиков и диаграмм различных типов. В окне Легенда отображены условные обозначения объектов на карте и тематических слоях. В окне Отчет предоставляются средства масштабирования, макетирования, а также сохранения шаблонов многолистных карт. Работая с MapInfo, можно формировать и распечатывать отчеты с фрагментами карт, списками, графиками и надписями. При выводе на печать MapInfo использует стандартные драйверы операционной системы.

Тематическая картография является мощным средством анализа и наглядного представления пространственных данных. На тематической карте легко понять связи между различными объектами и увидеть тенденции в развитии различных явлений. В MapInfo можно создавать тематические карты следующих основных типов: картограммы, столбчатые и круговые диаграммы, метод значков, плотность точек, метод качественного фона и непрерывной поверхности-грид. Сочетание тематических слоев и методов буферизации, районирования, слияния и разбиения объектов, пространственной и атрибутивной классификации позволяет создавать синтетические многокомпонентные карты с иерархической структурой легенды.

MapInfo - открытая система. Язык программирования MapBasic позволяет создавать на базе MapInfo собственные ГИС. MapBasic поддерживает обмен данными между процессами (DDE, DLL, RPC,XCMD,XFCN), интеграцию в программу SQL-запросов. Совместное использование MapInfo и среды разработки MapBasic дает возможность каждому создать свою собственную ГИС для решения конкретных прикладных задач.

Локализация пакета MapInfo/MapBasic Professional проведена так, чтобы он работал с русскими данными без проблем, т.е. сортировка и индексация проводится по правилам русского языка. В поставку Русской версии MapInfo включены библиотеки условных знаков, ряд утилит и CAD-функций, которые расширяют возможности пакета, согласно требованиям российского рынка геоинформационных систем.