Геоинформационные системы в развитии современного общества

  Большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС и оставались ими вплоть до начала 80-х годов. В настоящее время эти исследования продолжаются, но в меньших масштабах.

Программное обеспечение Гарвардской лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package. Благодаря работам Гарвардской лаборатории в области компьютерного картографирования была окончательно закреплена ведущая роль, которую играют картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах.

В конце 60х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования ГИС - технологий для обработки и представления данных Национальных Переписей Населения.

Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой стала необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствовавших в анкетах переписи, в географические координаты таким образом, чтобы результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи. Был разработан специальный формат представления картографических данных DIME, для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты. Таким образом, в этой разработке впервые был широко использован топологический подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами.

 Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали также развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям:

• автоматизированные системы навигации;
• системы вывоза городских отходов и мусора;
• движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т.д..

 Одновременно на основе этой информации была создана серия атласов крупных городов, содержащих результаты переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и т.д..

Пользовательский период поздние 1980 - настоящее время. Этот период пример нового отношения к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами для задач планирования природопользования и землеустройства. Они открыли GRASS для бесплатного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрирую GRASS с другими программными продуктами. Насыщение рынка программных средств для ГИС, в особенности, предназначенных для персональных компьютеров  резко увеличило область применения ГИС-технологий.

Это потребовало существенных наборов цифровых геоданных, а также необходимости формирования системы профессиональной подготовки и обучения специалистов по ГИС.

Современному обществу без ГИС-технологий не обойтись. Без них невозможно построение экономики и ведение современного хозяйства. Тенденции в мире таковы, что необходима возможность во времени управлять огромной базой пространственных данных, а  для этого необходимы ГИС. До недавнего времени эту задачу было сложно решить, т.к. был малый банк данных, ограничивался доступ получения пространственных данных о земле (космоснимки). Но в последние несколько лет ситуация изменилась в лучшую сторону и с появлением новых технологий, ГИС поднимаются на ступень выше. Это позволяет внедрять ГИС в новые сферы жизнедеятельности общества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Глава 2. Обзор базовых концепций ГИС

   2.1. Основные направления и использование ГИС в современном 

           обществе. Базовые концепции ГИС

       Пространственный объект может быть определен как цифровое представление объекта реальности, иначе цифровая модель объекта местности, содержащая его координаты и набор свойств, характеристик, атрибутов, или сам этот объект. Термин «картографический объект» встречается и в англоязычной литературе по цифровой картографии и ГИС: картографируемый объект местам (Cartographic entity (real world)), его цифровое представление (Cartographic object (digital storage)) и обобщающего понятия картографических объектов (Cartographic feature), которое применимо и к объектам реальности, и к их цифровым представлениям, описаниям, моделям.

Объект - представление в цифровом виде всей и части сущности ее

характеристиками (атрибутами), геометрией и (возможно) связями с другими

предметами (например, описание в цифровом виде участка дороги, включая категорию дороги, ширину проезжей части…, его геометрическое положение также связь с мостом, если такая существует).

Картографический объект - графический объект, необходимый для

обеспечения определенных требований представления информации. Атрибуты картографического объекта (если они необходимы) обеспечивают дополнительные указания по воспроизведению. Примеры картографических объектов: стрелка направления течения [10].

       Пространственный объект - как цифровая модель объекта так и сам  объект «реальности», или «местности». Распространен синоним термина «пространственный объект» - географический объект, или «геообъект».

 Представление пространственных объектов реальной действительности основано на следующих допущениях:

• пространственные данные состоят из цифровых представлений реально существующих дискретных пространственных объектов;
• свойства, показанные на карте, например, озера, здания, контуры должны пониматься как дискретные объекты;
• содержание карты может быть зафиксировано в базе данных  путем превращения свойств карты в пространственные объекты;
• многие свойства, которые показаны на карте, на самом деле виртуальны. Например,  контуры или границы реально не существуют, но здания и озера – реальные объекты.

      Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Пространственные данные состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной и непозиционной составляющей данных, иначе говоря, описания пространственного положения и тематического содержания данных. При этом выделяются соответственно   тополого-геометрические и атрибутивные данные. В самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную.  В настоящее время сформировалось два различных подхода к определению понятия «пространственные данные». В первом случае под пространственными данными понимаются цифровые данные об объектах реальности (местности, территории, акватории и т.п.), которыми оперируют при создании геоинформационной системы. Во втором случае термин «пространственные данные» понимается в более широком смысле слова, включая в себя не только данные в первом значении, но все «пространственно-координированные данные» (цифровые изображения, цифровые карты, каталоги  координат пунктов опорной геодезической сети и т.п.).  Термин «пространственные данные» имеет несколько синонимов, употребляемых в обоих значениях. Первый из них (по частоте употребления)- «географические данные» - может претендовать на роль стандартизованного, наряду с «пространственными данными». К менее распространенным относятся «геоданные», «геоинформационные данные» и «геопространственные данные», имеющие свою концептуальную схему в организации [рис. 2].

 

 

 

 

 

 

 

               

             Рис. 2. Концептуальная схема организации данных в ГИС [15]

Перечень элементарных пространственных объектов (основные метрические и тополого-геометрические примитивы), которыми оперируют современные ГИС, выглядит следующим образом:

• Точка син. точечный объект;
• Линия син. линейный объект;

• Полигон син. полигональный объект, многоугольник, контурный объект, область;

• Поверхность син. Рельеф;
• Тело;
• Пиксел син. пиксель, пэл;
• Ячейка (регулярной сети).

Выбор способа организации данных в ГИС, и, в первую очередь, модели

данных, т.е. способы цифрового описания пространственных объектов, значительно важнее, чем выбор программного продукта, поскольку напрямую определяет функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость или иных технологий ввода информации.

От типа модели данных зависит как пространственная точность представления графической части информации, так и возможность получения качественного картографического материала и организации контроля карт. Для облегчения работы и получения наиболее удачного варианта проекта карты, применяется выборка, определяющаяся  темой [рис. 3].

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Пространственная выборка (уточнение территории) [2]

Содержание базы пространственных данных включает:

1) цифровые версии  реально существующих объектов (например, зданий);

2) цифровые версии  искусственно выделенных свойств  карты (например, контуры);

3) искусственные  объекты, созданные специально для  целей построения базы данных (например, пиксели).

Разновидность непрерывных свойств:

1) некоторые  свойства пространственных объектов  существуют повсеместно, изменяются  непрерывно над земной поверхностью  (высота, температура, атмосферное давление) и не имеют реально представленных границ.

Компоненты пространственных данных:

- расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении;

- пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними;

- атрибуты: атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов;

     - время: временная  изменчивость фиксируется разными способами:

1) интервалом  времени, в течение которого существует  объект;

2) скоростью изменчивости объектов;

3) временем получения  значений свойств.

 

 

           2.2. Геоинформационные структуры и модели данных

Для визуализации геоинформационной структуры используют

растровые и. векторные модели данных [рис. 4].

                     

 

    Рис. 4. Растровая и векторная модели пространственных данных [2]

        В растровых моделях данных, в отличие от векторных, нет объектов как обособленных сущностей, в них объекты понимаются как области однородных характеристик. Растровые данные всегда обладают собственной системой координат: каждый пиксел адресуется номером ряда и столбца, на пересечении которых он расположен. Для всякого растрового изображения известны его размеры по горизонтали и вертикали. При использовании растра в качестве подложки для векторных цифровых карт производится так называемое трансформирование растра, обеспечивающее совмещение обоих изображений. При трансформировании выполняется преобразование координат пикселов из пиксельной системы координат в систему координат карты.

        Векторные модели данных. Модель данных имеет в основе так называемую линейно-узловую топологию, или структуру узлов и дуг. Дуги являются основным (базовым) типом линейных объектов, узлы – это специальный тип точечных объектов, существующий совместно с дугами. В основе линейно-узловой структуры [рис. 5] лежит принцип последовательного конструирования линейных объектов из точечных и площадных из линейных. Так, два несовпадающих узла определяют начальную и конечную точки одного линейного объекта (дуги), при этом они могут также соединяться с одной или несколькими другими дугами.

 

 

 

 

              

 

          

                  Рис. 5. Пространственные объекты  линейного типа [9]

Узел – это либо свободное окончание или начало каждой дуги,

или точка пересечения дуг.

Дуга – это самостоятельный линейный объект, состоящий, как

минимум, из двух узлов – начального и конечного.

       Топология - одна из ключевых концепций ГИС. Это пространственные взаимоотношения межу смежными и близлежащими объектами. Топология отражается в структуре данных. Топологические

структуры более предпочтительны [pис. 6].

 

 

Типы топологий:

1. Линейно-узловые топологические отношения;