Printsipi_GIS_A5_Shipulin

10

Пропонований посібник до навчальної дисципліни "Основи ГІС" спеціальності "Геоінформаційні системи і технології" покликаний сприяти створенню теоретичної бази вивчення ГІС. У посібнику подані основні концепції, положення, поняття, принципи побудови і функціонування географічних інформаційних систем. Посібник побудований з розрахунку того, що відповідно до навчального плану спеціальності: 1) студенти вже мають певну підготовку з комп'ютерних дисциплін, в тому числі баз даних, математичних методів і моделей, і дисциплін, що вивчають земний простір; 2) після вивчення основ ГІС студенти отримають знання з розвинених технологій ГІС, баз геоданих, виконання геоінформаційного аналізу, дистанційного зондуванню Землі, застосування ГІС в різних областях.

Сьогодні в світі розроблена величезна кількість програмних продуктів ГІС. У рамках посібника навіть короткий огляд програмних продуктів ГІС у вигляді переліку характеристик або функцій не може створити адекватну картину програмного забезпечення ГІС. Темпи створення нового програмного забезпечення ГІС або модернізації створеного настільки високі, що існує небезпека освітлення в посібнику застарілих рішень. Цей посібник побудований більшою мірою в контексті рішень Інституту дослідження систем довкілля

(Environmental Systems Research Institute - ESRI), який створив найбільш розвинене й поширене програмне забезпечення ГІС. У той же час посібник не є практикумом з освоєння програмного забезпечення ГІС.

Посібник складається з п'яти частин, кожна з яких відображує певну предметну галузь знань про географічні інформаційні системи. Ці частини є модулями - однорідними з тематики структурними одиницями для вивчення навчальної дисципліни. Посібник побудований так, щоб в логічній послідовності вводити читача в світ ГІС.

Перша частина "Вступ у географічні інформаційні системи" починається з розгляду фундаменту знань про географічні інформаційні системи - понятійної бази теорії систем, загальних закономірностей розвитку і функціонування систем. У розділі представлена загальна характеристика географічних інформаційних систем, дано визначення ГІС, розглянуті загальна характеристика компонентів ГІС і відмітні функції ГІС. Як ГІС-парадигма наведена єдина система базових понять і визначень на основі сталих поглядів, яка є каркасом представлення предметної області геоінформаційних систем і технологій.

12

Друга частина "Комп'ютерні моделі географічних об'єктів" містить визначення географічних об'єктів і їх видів, визначення географічної інформації й географічних даних. У окремих розділах цієї частини розглядаються принципи побудови і характеристики базових комп'ютерних моделей географічних об'єктів - векторних, растрових, триангуляційних, які перевірені часом і реалізовані в переважній більшості сучасних програмних продуктів ГІС.

Третя частина "Збір і підготовка географічних даних" починається з розгляду джерел географічних даних, найважливіших характеристик даних, системного підходу до попередньої обробки вихідних даних. Велика увага приділяється проблемам класифікацій, які лежать в основі ефективної роботи геоінформаційних систем. Значне місце відводиться розгляду систем координат реального земного простору і картографічним проекціям як фундаменту побудови ГІС.

Четверта частина "Організація даних в геоінформаційних системах" присвячена розгляду проблем системної організації даних. Особлива увага приділена двом поширеним моделям організації даних - геореляційній моделі і об'єктно-орієнтованій моделі даних.

П'ята частина "Основи геопросторового аналізу" є завершальним модулем, який знайомить читача з тим, що називають "серцем" ГІС. Ця частина включає загальну характеристику і методологію геопросторового аналізу. На основі поширеної класифікації розглянуті базові аналітичні засоби, які є опорою геопросторового аналізу, - функції вимірів, вибору даних, класифікації, оверлейні функції, функції околу, функції зв'язності.

Для створення посібника використаний обширний набір літературних джерел, багато з яких самі по собі можуть бути цікавими об'єктами вивчення.

Пропонований посібник написаний на основі багатолітнього досвіду викладання курсу "Основи ГІС" для студентів спеціальності "Геоінформаційні системи і технології", а також для майбутніх містобудівників, екологів, менеджерів у Харківській національній академії міського господарства. Використано досвід академії в розробці й впровадженні ГІС-проектів для міста Харкова і інших міст. Посібник може бути корисний студентам спеціальностей комп'ютерних наук, а також фахівцям в областях управління територіями, земельними ресурсами і нерухомістю, комунальним господарством, транспортною інфраструктурою, в областях енергетики, екології, розробки, створення або дослідження складних просторових комплексів.

13

Частина 1

ВСТУП У ГЕОГРАФІЧНІ

ІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ

14

Розділ 1.1

КОНЦЕПЦІЯ СИСТЕМ

Визначення терміну "Географічна інформаційна система" вимагає в першу чергу розгляду поняття "Система" і його основних концептів. Це важливо тому, що понятійна база теорії систем, загальні закономірності розвитку і функціонування систем є фундаментом знань про географічні інформаційні системи.

1.1.1 Складність і взаємозалежність частин нашого світу

Прогрес у вивченні навколишнього світу свідчить про все більшу складність і взаємозалежність його частин.

Складність – це сукупність величезного числа різних об'єктів. Складність визначається великою кількістю зв'язків. Слід розрізняти просту і важку проблеми.

Проста проблема має одне рішення (наприклад, розв'язування вузла на вірьовці може бути важким).

Складна проблема має багато можливих рішень [1].

Проблеми не існують ізольовано, чи є вони соціальними,

політичними або економічними. Приклад: економіка залежить від енергетики та інших ресурсів, енергоресурси – від політики, політика – від сили; і навпаки, політика залежить від економіки. Проблеми не можуть бути виділені з цілого, пояснені окремо, а потім інтерпретовані для пояснення цілого.

Середовище, в якому виникають проблеми, само по собі не є статичним. Воно динамічне, оскільки завжди змінюється, піддавшись зовнішнім і внутрішнім діям. Середовище міняється, взаємодіє разом зі своїми проблемами та їх рішеннями у фізичному й концептуальному просторі. Середовище міняється в часі, оскільки на нього впливають події.

Останнім часом для багатьох галузей науки і техніки характерний перехід від розробки окремих об'єктів до створення складних комплексів. Виріс масштаб проблем, комплексність і складність проблем, вартість їх вирішення. Потреба вирішення складних проблем породила необхідність в універсальній методології, яка дозволяє з єдиних позицій виконати аналіз і синтез складних об'єктів. У зв'язку з цим отримала розвиток методологія, в основу якої покладена

15

концепція систем.

1.1.2 Історичний аспект

Перші уявлення про системи виникли в античній філософії [1]. У древньогрецькій філософії і науці (Евклід, Платон, Аристотель) розроблялася ідея системності знання. Філософи всіх епох по-своєму використовували поняття системи. Принцип системної природи знань розроблялися у класичній філософії (Спіноза, Шеллінг, Гегель.).

У19 столітті поняття системи вже використовується в багатьох областях конкретно-наукового знання і загальнонаукового знання. Ф. Енгельс у роботі "Діалектика природи" пише: "Вся доступна нам природа утворює деяку систему, деякий сукупний зв'язок тіл, причому ми розуміємо тут під словом "тіло" всі матеріальні реальності, починаючи від зірки і кінчаючи атомом.. У тій обставині, що тіла знаходяться у взаємному зв'язку, вже поміщене те, що вони взаємодіють один на одного, і це їх взаємна дія один на одного і є саме рух. Рух не створимий і незнищуваний. Цей висновок став неминучим, тільки люди пізнали всесвіт, як систему, як взаємний зв'язок тіл".

У20 ст. багато крупних учених внесли свій вклад у розвиток системних уявлень, в їх числі В.І. Вернадський, А.А. Богданов та інші.

Об'єднання системних уявлень в особливу область знання пов'язують з ім'ям австрійського біолога Людвіга фон Берталанфі, який

вкінці 40-х років 20 ст. виступив з програмою побудови "загальної теорії систем". Додатково до цієї програми в 50-70-х роках був висунутий ряд загальносистемних концепцій і визначень поняття система. Неоцінимий вклад до системних досліджень внесли американські вчені М. Месаровіч, Р. Акоф, англійський кібернетик

1.1.3 Визначення поняття "Система"

Система – універсальне поняття, придатне для позначення різноманітних об'єктів будь-якої природи. Відомий ряд визначень системи. Ось деякі з них:

Система – є комплекс взаємодіючих елементів [2].

Система – ( від грецького systema - ціле, складене з частин; з'єднання) – це сукупність елементів, що знаходяться в відношеннях і

16

зв'язках один з одним, які утворюють певну цілісність, єдність [3,

с.610].

Система – є відмежована множина взаємодіючих елементів [4,

с.43].

Система – є множина взаємозв'язаних елементів [5].

Система – є те, що вирішує проблему [6].

Поняття "система" має найтісніший взаємозв'язок з поняттями

цілісності, структури, зв'язку, елементу, відношення, підсистеми. Наявність зв'язків і відношень між елементами системи є визначальним, ключовим.

Практично кожен об'єкт, процес, явище може бути розглянуте як система. Приклади систем:

Сонячна система, транспортна система, система числення, система Станіславського, економічна система, геологічна система, система понять, нервова система, система хімічних елементів Менделєєва, система математичних рівнянь.

Системами є мова, комбайн, мозок, телефонна мережа, обчислювальна машина, людина, академічна група, факультет, інститут, система освіти, товариство людей.

Місто – складна динамічна соціальна система. Ця система може бути представлена взаємодіючими підсистемами міського господарства. Фахівець повинен знати і уміти аналізувати структури, взаємозв'язки, критерії оцінки функціонування систем міського господарства для ухвалення рішень при планеруванні, проектуванні, створенні й управлінні систем.

Программий продукт.

Система даних.

Географічна інформаційна система.

Поняття система має надзвичайно широке застосування. Розгляд об'єкта або сукупності об'єктів, середовища як системи дозволяє на підставі загальних закономірностей розвитку і функціонування систем конструювати складні системи, визначати взаємозв'язки між елементами системи, ефективно вирішувати складні проблеми.

1.1.4 Системні дослідження

Під системними дослідженнями розуміється вся сукупність наукових і технічних проблем, які схожі в розумінні і розгляді досліджуваних ними об'єктів як систем, тобто множин взаємозв'язаних елементів, що уявляються як єдине ціле. Системні дослідження

17

представлені трьома системними областями:

Системний підхід (СП) – загальнонауковий методологічний напрям, за яким розробляють методи і способи дослідження складноорганізованих об'єктів; СП заснований на розгляді об'єктів вивчення у вигляді систем. СП – серцевина системних досліджень.

Системний аналіз (СА) - методологія, орієнтована на вирішення крупних проблем практично прикладного характеру, заснована на концепції систем. В центрі СА, операція порівняння альтернатив вирішення проблем і вибору альтернативи.

Загальна теорія систем (ОТС) – наукова дисципліна, яка вивчає різні явища, відволікаючись від їх конкретної природи, і прочитується тільки на формальних взаємозв'язках між різними складовими їх чинниками, між спостереженнями, ознаками і властивостями. Завдання ОТС:

розробка узагальнених моделей систем; побудова логико-методологического апарату;

створення узагальнених теорій систем різного типу.

1.1.5 Елементи систем

Система або будь-яка її частина може бути розчленована на елементи.

Під елементом системи розуміють таку її частину, яка не підлягає подальшому розчленовуванню, є надійної з точки зору процесу функціонування системи. Елемент - це складова неділима частина

цілого.

Елементи системи володіють певними властивостями. Елементами можуть бути предмети, явища, знання, методи.

Приклади елементів систем:

хімічні елементи системи Менделєєва;

планети сонячної системи;

студенти академічної групи;

транспортні засоби, дороги, люди, вантажі транспортної системи.

При розгляді системи "Підприємство" її елементами можуть бути відділи заводоуправління, цехи, склади і так далі. При розгляді системи "Цех" елементами будуть верстати, бригади робітників, контора цеху і так далі. При розгляді системи "Людина" елементами будуть органи дихання, кровообіг, травлення, рух і так далі.

Отже, процес розчленовування системи на елементи і само поняття елементу є відносним і умовним.

18

1.1.6 Системні зв'язки

Поняття зв'язку – одне з найважливіших, фундаментальніших наукових понять. Системи зв'язані між собою. Елементи системи зв'язані між собою.

Зв'язок – це взаємообумовленість існування об'єктів, явищ, процесів, розподілених у просторі й часі. Зв'язок – є те, що об'єднує елементи, об'єкти і властивості в системному процесі. Зв'язки

визначають наступність процесів.

Система є множина взаємозв'язаних елементів. Існує два критерії системності:

кожен елемент системи зв'язаний принаймні з одним іншим елементом системи;

кожна підмножина елементів системи зв'язана з кожною іншою підмножиною системи.

Графічно зв'язок відношення одного елементу до іншого

зображається направленою лінією (→ ).

Розрізняють [5] між елементами а, b, с, d наступні типи зв'язків:

за напрямом дії: Прямі (а→b, b→с);

Зворотні (c→b, b→a);

за контактом:

безпосередні (a→b, b→c); опосередковані (a→c, b→c);

за наступністю: послідовні (a→b→c);

паралельні (b→d, b→c);

за відношенням до системи: зовнішні; внутрішні;

за силою:

жорсткі; корпускулярні;

за субстратом, вмістом зв'язку: речові; енергетичні; інформаційні.

19