1.1. Определения и задачи геоинформатики

Тенденция все более широкого внедрения географических информационных систем (ГИС) в науки о Земле (география, геология, экология, почвоведение и т. д.), также как и в тесно связанные с ними социально-экономические науки (экономика, социология и т. д.), приводит к повышению эффективности и дальнейшему развитию геоинформационных методов исследований и картографирования, которые базируются на новой науке — геоинформатике.

Перечень различных определений и толкований геоинформатики представляет собой обширный список [Берлянт, 1996; Геоинформатика, 2005 и многие др.], среди которых однозначно можно выделить два отчетливо проявляющихся аспекта во взглядах на геоинформатику: инженерно-технический, при котором делается упор на разработку методов создания и использования ГИС, и научно-познавательный, при котором внимание сосредотачивается на отображении и исследовании реального мира посредством ГИС. Согласно первому часто утверждают, что геоинформатика — это теория ГИС, в то время как второй позволяет относить геоинформатику к наукам о Земле. По определению А. М. Берлянта, геоин-

14 Глава 1. Фундаментальные понятия геоинформатики и ГИС

форматика предстает в виде системы, охватывающей науку, технику и производство. В книге «Геоиконика» (1996) он формулирует три подхода к трактовке геоинформатики и ГИС:

• научно-познавательный подход, трактующий геоинформатику как научную дисциплину, изучающую природные и социально-экономические геосистемы посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и географических знаний;

•технологический подход, рассматривающий геоинформатику как технологию (ГИС-технология) сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения простран- ственно-координированной информации;

•производственный подход, относящий геоинформатику к производству (геоинформационная индустрия), имеющему целью изготовление аппаратных средств и программных продуктов, включая создание баз и банков данных, систем управления, стандартных (коммерческих) ГИС разного целевого назначения и проблемной ориентации, формирование ГИС-инфраструктуры и организация маркетинга.

Отражая современное состояние проблемы и показывая системную роль геоинформатики, такие подходы лишь подчеркивают, что в определении задач, предмета и метода геоинформатики,

также как и в терминологии, нет однозначности, что естественно для быстро развивающейся отрасли знания. Для ознакомления с толкованием основных терминов геоинформатики и смежных с ней отраслей знаний рекомендуются словари терминов [Геоинформатика. Толковый.., 1999; Геоинформатика, 2005].

1.2.Основные теоретические концепции

вгеоинформатике

1.2.1.Определение и толкование базовых понятий геоинформатики

Одним из первых толкование геоинформатики как науки дал Н. С. Сербенюк (1990): «Геоинформатика — понятие, обозначающее автоматическую переработку пространственно-временной информации о геосистемах различного иерархического уровня и терри-

ториального охвата». Всякую науку определяет ее предмет и метод исследования. Геоинформатика, как и география, исследует те же объекты, т. е. природные, общественные и природно-общественные

Термин «данные» происходит от «datum» — факт и обозначает зарегистрированные факты, описания явлений реального мира или идей, которые представляются достаточно ценными для того, чтобы их сформулировать и точно зафиксировать.

Совокупность фактов (сведений о фактических данных), представленная в формализованном виде (цифровом, графическом и др.), пригодном для хранения, пересылки, интерпретации человеком

иобработки компьютером, рассматривается как объект обработки

иполучения информации. Информация, также как материя и энергия, — одно из свойств предметов, явлений, процессов объективной действительности и отражает смысл, вкладываемый человеком в данные. Таким образом, в информации заложена совокупность знаний о фактических данных и зависимостях между ними.

Всвою очередь, знания представляют собой отражение семантических аспектов реального мира в мозгу человека или технической системе (система искусственного интеллекта), интерпретацию информации об окружающих объектах и явлениях.

Фундаментальными понятиями геоинформатики являются

пространственные данные и пространственный объект. В русскоязычной терминологии «пространственным данным» соответствуют два разных понятия, выделенные А. В. Кошкаревым (2000). Первое, относящееся к предметной области геоинформатики, — это

Поля

Рис. 1.1. Концептуальные модели пространственной информации (по [Jones, 1997])

Объектно-ориентированная модель подчеркивает индивиду* альность явления и хорошо подходит для моделирования реальности. Размеры и форма объектов могут быть определены задачами их тема- тической интерпретации и генерализации при заданном масштабе исследования. Границы объектов фиксируют смену их семантической характеристики, а в пределах объекта эту характеристику следует считать постоянной. Однако в таких моделях возникает проблема определения положения границ: для антропогенных и некоторых природных объектов они определяются четко, для большинства же природных объектов они нечетки и часто отражают постепенный переход от одного объекта к другому. Некоторых границ в природе не существует, например, административных.

Сетевая модель хорошо подходит для представления и изучения транспортных потоков и их оптимизации, в гидрологии, в задачах, связанных с изучением коммуникаций, трубопроводов, средств связи и т. п. Она представляет пространственные объекты или процессы в виде связанных геометрических сетей, анализ которых требует еще четкого отображения топологических связей, типа «вверх по течению», «приток» и т. п.

лений. Действительно, некоторые географические данные меняются непрерывно, например, высота земной поверхности, температура воздуха, атмосферное давление, или тип почв. Такие модели дают возможность представлять объекты и явления «сплошного» распространения, но они целиком зависят и от дискретности снятия отсчетов, и от выбранного метода интерполяции их семантического показателя.

Для показа непрерывности изменения используют разные способы, например:

•интерполяция измерений параметра в отдельных точках;

•вычерчивание линии профиля, изолинии или псевдоизолинии;

•построение сеточных цифровых моделей.

Легко сделать вывод, что выбор концептуальной модели пространственной информации связан с характером объектов. Например, для решения транспортных задач и для природно-ресурс- ных приложений необходимы разные модели.

Модели пространственных объектов. Понимание моделей пространственных объектов как абстрактного представления реальных объектов является ключевым для определения и сбора географической информации, необходимой для корректной интерпретации результатов анализа.

Способы дискретизации и описания пространственных данных соотносятся с методами выборочного обследования территорий, осуществляемых в отдельных точках, или в узлах регулярной сети, и приняты для отображения пространственной локализации объектов на картах. Плотность обследования определяет пространственное разрешение данных.

Цифровое описание пространственного объекта включает:

•наименование (идентификатор) объекта;

•указание или описание местоположения (локализации);

•качественное или количественное описание свойств;

•пространственные отношения с окружающими объектами.

рениях упускается из виду изменение между точками, профили не отображают окружающего их пространства. При районировании предполагается, что на границах происходит резкое изменение, а в пределах зон изменения отсутствуют. И тем не менее построенная модель позволяет дальше работать с пространственными объектами как с наборами цифровой информации — позиционной и непозиционной.

Модели пространственных данных. База данных любой ГИС состоит из цифровых представлений пространственных данных, которые принято называть моделями пространственных данных. Такие модели отражают логические правила формализованного цифрового описания объектов реальности как пространственных объектов.

Традиционно различают базовые модели пространственных данных:

•векторные модели, подразделяемые на два типа — векторные топологические и нетопологические модели;

•растровые модели;

•регулярно-ячеистые модели, формально схожие с растровыми; квадротомические модели.

Векторная модель используется для представления точечных, линейных и площадных объектов, обычно идентифицируемых в терминах координат (с этим фактом связано название «векторная модель»): местоположение точки описывается простым набором координат в 2- или 3-мерном пространстве, линии — упорядоченным набором координат точек (рис. 1.2 я), область — границей, состоящей из одной или более замыкающихся линий. Такая модель особенно удобна для представления дискретных объектов в соответствии с объектно-ориентированной моделью отображения реальности.

Векторная модель хорошо подходит для представления топографических данных и границ объектов. Разновидностью векторной модели является векторно-топологическая модель данных, описы-

вающая также взаимное расположение объектов — топологические отношения («справа», «слева», «внутри», «примыкает» и т. п.).

б

Рис. 1.2. Векторная (а) и растровая (б) модели данных

изменения совокупностью ячеек конечного размера — растром.

Растровые модели (рис. 1.2 б) удобны для хранения и анализа данных, распределенных непрерывно на некоторой области (объекты или явления — на некоторой территории) в соответствии с моделью географических полей. Растр представляет собой матрицу элементов изображения (пикселов) с присвоенными им кодами, идентифицирующими либо цвет изображения, либо класс объекта. Значения пикселов могут быть результатами измерений, вычислений или интерполяции. К растровым моделям относятся и так называемые гриды (регулярные сетки, GRID), построение которых в ГИС используют для анализа и моделирования непрерывных распределений данных. Гриды могут быть созданы на основе векторных данных (см. раздел 5.2). Размер растра (разрешение) выбирают в зависимости от масштаба и сложности рисунка местности или карты. Однако технические трудности не позволяют изменять частоту выборки в пределах одной совокупности.

В основе организации пространственных данных ГИС лежит

Слой представляет один тип таких объектов (точечных, линейных или полигональных) или группу концептуально взаимосвязанных типов объектов. Например, слой может включать линейные объекты, представляющие только линии водотоков, или же водотоки, озера, береговую линию и болота. Возможно также объединение представлений всех объектов в один слой, подобный, например, физикогеографической карте.

Модели системы управления базой данных. Выбор формальной модели пространственных объектов определяет физическую структуру базы данных и программную модель управления ею в компьютерной реализации.

Как правило, ГИС создаются на основе уже существующих коммерческих систем управления базами данных (СУБД) — комп-

СУБД составляет основную часть затрат на программное обеспечение системы. Выбор стандартной СУБД объясняется двумя обстоятельствами: к началу разработок в области ГИС сложные программные средства управления базами данных были уже хорошо отработаны и широко использовались в разных информационных системах; СУБД выполняет множество функций, которые в противном случае следовало бы программировать в ГИС.

Наиболее распространенными моделями БД и их СУБД являются иерархическая, сетевая, реляционная (рис. 1.3).

Виерархической модели (рис. 1.3 а) записи данных образуют древовидную структуру, при этом каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более высоком уровне. В этой модели взаимосвязь между данными описывается отношением «один ко многим». Доступ к любой записи осуществляется по строго определенным «веткам» и узлам такого дерева. Иерархические модели хорошо подходят для задач с явно выраженной иерархически соподчиненной структурой информации и запросов. Они обладают низким быстродействием, трудно модифицируемы, но эффективны с точки зрения организации машинной памяти.

Всетевых моделях (рис. 1.3 б) каждая запись в каждом из узлов сети может быть связана с несколькими другими узлами; кроме

данных записи содержат указатели, определяющие местоположение других записей, связанных с ними. Сетевые модели используют отношение «многие ко многим», при котором один объект может иметь множество атрибутов, а каждый из них связан со множеством объектов. Такие модели очень трудно редактировать, например, удалять записи, так как вместе с данными нужно редактировать и указатели. Подобные модели хорошо работают в случае решения сетевых, коммуникационных задач.

Областной центр

Рис. 1.3. Модели систем управления базами данных; а — иерархическая;

б— сетевая; в — реляционная

Виерархической и сетевой моделях для поиска конкретной записи необходимо вначале определить путь доступа к записи, а затем просмотреть все записи, находящиеся на этом пути.

Реляционные СУБД завоевали самую широкую популярность. Они свободны от всех ограничений, связанных с организацией хранения данных и спецификой запоминающих устройств. Эти модели имеют табличную структуру (рис. 1.3 в): строки таблицы соответствуют одной записи информации об объекте, а столбцы —

поля — содержат однотипные характеристики всех объектов. Таким образом, атрибуты объектов группируются в строках в виде так называемых отношений (relations), поскольку каждая строка связывает их между собой. Всевозможные способы индексации данных существенно сокращают время поиска информации и время запроса к данным. К числу наиболее известных СУБД реляционного типа относятся dBASE, Clipper, Foxbase, Paradox, Oracle (последняя особенно подходит для больших объемов данных).

ГИС добавляет географический аспект к уже существующим методам поиска и запроса. Сложность и разнообразие представления данных в ГИС, различимость в представлении позиционной и атрибутивной составляющей информации, необходимость ее обработки в контексте пространственной близости предъявляют своеобразные

иповышенные требования к СУБД по сравнению с традиционной формой их использования.

Подробно модели данных, методы проектирования баз данных (БД) и типы СУБД рассматриваются в главе 2.

Модели геопространства предназначены для описания, анализа

иобъяснения пространственного положения, взаимосвязей и взаимодействия объектов и процессов, происходящих на Земле, и являются основанием каждой создаваемой ГИС или карты.

Можно сказать, что уже база данных является моделью геопространства в том смысле, что она представляет некоторые реальные явления или их аппроксимации, создает подобие некоторых их сторон. Ее содержание определяется на концептуальном уровне моделирования сутью явления, характером его пространственного распространения и задачами, для которых создается БД. Но БД только фиксирует состояние геосистемы на определенный момент.

Пространственный анализ и пространственное моделирование — основные цели создания ГИС — могут быть реализованы разными способами. Обычно результатом функционирования ГИС является карта — традиционное средство моделирования и отображения геосистем. Однако при интерактивной работе с картографическими слоями на компьютере может быть создана новая информация, которой нет в явном виде на карте. ГИС позволяет выполнить моделирование некоторого процесса на территории с помощью математических закономерностей и интеграции различных данных, представленных в БД. Методы геопространственного моде-

26 Глава 1. Фундаментальные понятия геоинформатики и ГИС

лирования включают выполнение многопараметрических классификаций, построение физических и абстрактных поверхностей (в том числе геостатистических), интерполяции и экстраполяции данных, создание физических и экспериментальных моделей процессов, моделей поддержки принятия решений и прогноза (их особенности обсуждаются в главе 5).

Современные компьютерные технологии способствуют созданию динамических моделей с использованием нетрадиционных способов представления информации, в том числе виртуального и мультимедийного (см. главу 7). Они позволяют одновременно изучать связи объектов, явлений и их признаков, соединяя сходные типы связей, выражаемые разными информационными средствами: текстом, звуком, структурным графиком или видеопоследовательностью.

1.2.3.Взаимодействие геоииформатики, картографии

идистанционного зондирования

Геоинформатика как наука обладает принципиально новыми качествами, выражающимися в возрастающем взаимодействии с другими отраслями знания, комплексировании методов исследований, в широком использовании математических методов и информационных технологий.

Определение взаимоотношений геоинформатики с методами и науками о Земле является предметом многих научных исследований. Особенно ярко такое взаимодействие проявилось в интеграции геоинформатики, картографии и дистанционного зондирования.

Можно говорить именно об интеграции этих областей науки прежде всего потому, что они имеют общий объект изучения, таким

модели действительности, геоинформатика — на основе построения цифровой информационной модели, а аэрокосмические исследования используют дистанционно полученные геоизобра-

иной форме. Результаты исследований представляются, как правило,

в виде картографических изображений, получаемых на основе моделирования или дешифрирования снимков.

В основе интеграции геоинформатики и дистанционного зондирования (ДЗ) лежат общие принципы, среди которых известный в дистанционном зондировании принцип множественности — использования серии снимков разных спектральных диапазонов, масштабов, времени съемки и т. п. для наиболее полного дистанционного изучения географических объектов. Дешифрирование снимков, полученных методами ДЗ, позволяет создать множество срезов информации, например, геология, рельеф поверхности, почвы, растительность, использование земель, сельскохозяйственные культуры, городские/сельские поселения. Ценность Д3 прямо связана с качеством и «свежестью» получения данных, возможностью оперативного сбора и обновления данных. В свою очередь, успех в применении данных ДЗ возможен лишь при использовании дополнительных наборов геопространственной информации; подобные данные можно получить из уже существующих слоев БД ГИС.

Специфика использования картографической и аэрокосмической информации — ее большие объемы и необходимость обработки и хранения в пространственной привязке, применение методов геопространственного моделирования — привела к необходимости разработки специализированных автоматизированных (геоинформационных) технологий ее анализа и хранения. Это, в свою очередь, потребовало создания автоматизированных картографических систем и систем автоматизированной обработки изображений, которые впоследствии интегрировались в географические информационные системы. Таким образом, можно говорить о программнотехнологической интеграции рассматриваемых научных областей на базе компьютерных систем и ГИС-технологий обработки информации. При этом за каждой из областей науки сохраняется ее предмет создания, исследования и использования — карта, снимок, ГИС.

Для обозначения множества карт, снимков и других пространственных моделей А. М. Берлянт ввел понятие геоизображения