Лекция 18. Географические информационные системы (гис) (6 часов)

Основные вопросы:

18.1.

18.2.

18.3.

18.4.

18.5.

18.1.

Геоданные, т.е. информация, имеющая свое определенное место на карте, схеме, плане, составляют порядка 80–90% всех данных. Службы МЧС и ГО используют ГИС-технологии в ситуационных комнатах при анализе критических и чрезвычайных ситуаций, при пространственном анализе данных для подготовки управленческих решений, при подготовке статистической информации (статистический анализ, подготовка отчетов), в государственных кадастрах (градостроительном, земельном, лесном, природных ресурсов и др.) и регистрах и для других целей.

В муниципальном управлении эти технологии предоставляют информационные ресурсы для эффективного территориального планирования и градорегулирования, правового зонирования и ведения генеральных планов городов, управления административными единицами.

Люди используют ГИС-технологии в разных областях своей деятельности:

• для анализа и отслеживания текущего состояния и тенденций изменения интересующих опасных объектов;

• при планировании своей деятельности;

• для оптимального по разным критериям выбора местоположения новых промышленных объектов, мест большого скопления народа, складов, производственных мощностей;

• с целью поддержки принятия решений;

• для выбора кратчайших или наиболее безопасных маршрутов перевозок и путей;

• в процессе анализа риска и урегулирования разногласий;

• при создании и географической привязке баз данных о земле, домовладении, опасных объектах и др.

Географическая информационная система (ГИС) – это возможность нового взгляда на окружающую нас действительность, современная ИТ для картирования и анализа объектов и событий реального мира. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими, как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляют карты и планы. Эти возможности отличают ГИС от других ИТ и обеспечивают уникальный потенциал для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

Она помогает автоматизировать аналитические и прогностические процедуры. До начала применения ГИС лишь немногие специалисты обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия рациональных решений, основанных на современных подходах и средствах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности, будь то анализ таких глобальных проблем, как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких, как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности.

Несмотря на то, что карты используются тысячи лет, сравнительно недавно, около 40 лет назад, графическая и описательная информация были объединены для создания первой Географической информационной системы (ГИС) (рис. 35). Этот принцип является одним из важнейших основополагающих принципов ГИС.

Рис. 35. Начало картографии.Старинная карта мира, 1637 год, проекция Меркатора

Первые ГИС появились в организациях связанных именно с управлениями природных ресурсами и эта сфера их применения наиболее очевидна. Развитие ГИС, несомненно, связано с бурным развитием информационных технологий в целом и, в первую очередь, с развитием аппаратной базы. Первые ГИС представляли собой целые комнаты, занятые аппаратурой и километры полок, заполненных перфокартами с пространственной и описательной информацией об объектах (координатами). Первой ГИС принято считать систему созданную в 1962 в Канаде, Аланом Томлинсоном, которая так и называлась Канадская Географическая Информационная Система. А вот первые общедоступные, полнофункциональные ГИС, способные работать на привычных персональных компьютерах, появились сравнительно недавно - в 1994 г (Arcview 2.0), бурное развитие области ГИС следует связывать именно с ними.

Географическая информационная система (ГИС) – это интерактивная информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, доступ, отображение пространственно-организованных данных и ориентированная на возможность принятия научно-обоснованных управленческих решений (рис. 36).

Рис. 36.Современная среда разработки ГИС с наложением фотоснимков

ГИС использует особый тип информации – пространственную (географическую) и связанные с ней базы данных, эта информация может быть социальной, политической, экологической или демографической, то есть любой информацией, которая может быть отображена на карте.

ГИС является лучшим способом хранить информацию об участке суши или моря. Для всех современных организаций, особенно для организаций непосредственно управляющими территориями, например, администрациям охраняемых природных территорий (ООПТ), ГИС становится стандартом де-факто. ГИС может помочь сделать управление более эффективным, способствовать научной работе и охране территории, которая проводится во всех ООПТ, независимо от площади занимаемой ими территории. В реализации ГИС для Таймырского заповедника и заповедника «Белогорье», безусловно, есть свои отличия, но общие принципы остаются неизменными.

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, объединенных 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.

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с ИР: 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 и планов в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью специальных устройств – дигитайзеров. 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 (дорожная сеть представлена в масштабе 1 : 100 000, границы округов переписи населения – в масштабе 1 : 50 000, а жилые объекты – в масштабе 1 : 10 000, осевые линии улиц – в масштабе 1 : 1000). 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 БД (картографические и атрибутивные) и системы управления базами данных (СУБД).

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации вы сможете получать ответы на простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промышленная зона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа запросы (Где есть подходящие участки для строительства жилого дома? Каков основной тип почв под сосновыми лесами? Как повлияет на пассажиропотоки строительство новой дороги? Какова будет зона затопления, сколько человек и какими маршрутами придется эвакуировать при подъеме уровня воды на 7 метров?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и 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 в радиусе 500 м от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся на территории N-ro района? Процесс наложения включает возможность интеграции 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 тематических карт и планов, дополненных, при необходимости, другой графикой отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, диаграммами и таблицами, фотографиями и другими средствами, например видео и мультимедийными.

ГИС предлагает совершенно новый путь развития картографии. Преодолеваются основные недостатки обычных карт – их статичность и ограниченная емкость как носителя информации. В последние десятилетия бумажные карты из-за перегруженности информацией становятся нечитабельными. ГИС же обеспечивает управление визуализацией информации. Появляется возможность выводить (на экран, на твердую копию) только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. Фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом улучшается структурированность информации, а следовательно, повышается эффективность ее обработки и анализа.

В ГИС карта оживает и становится действительно динамическим объектом в смысле:

• динамичного выбора масштаба;

• преобразования картографических проекций;

• варьирования объектным составом карты (что выводится);

• возможности «опроса» через карту в режиме реального времени многочисленных баз данных;

• изменения способа отображения объектов (цвет, тип линии, символ и т.п.) в зависимости от содержимого баз данных;

• легкости внесения любых изменений.

Наряду с традиционной картографической информацией, данные дистанционного зондирования (ДЗ) составляют информационную основу ГИС-технологий, и чем дальше, тем больше этот источник информации доминирует над традиционными картами. Этап «первоначального накопления», черпающий данные из фондов существующих бумажных карт, в достаточно близкой исторической перспективе закончится. И далее встанет проблема обновления карт в ГИС.

Под ДЗ понимаются исследования неконтактным способом, различного рода съемки с летательных аппаратов – атмосферных и космических, в результате которых получается изображение земной поверхности в каком-либо диапазоне (диапазонах) электромагнитного спектра.

Принципы ГИС:

Комплексность (системность) – ГИС, как следует из определения, это не только данные и не столько программное обеспечение, хотя и то и другое является важной частью ГИС. ГИС - комплекс программного, аппаратного, информационного обеспечения управляемый специальным персоналом. Цифровая картография, дистанционное зондирование, геодезия - поставляют данные для ГИС.

Пространственность - ГИС - инструмент, работающий с любыми данными распределенными в пространстве и имеющими свою систему координат, начиная от колоний микроорганизмов и заканчивая целиком планетой Земля. ГИС также позволяет осуществлять операции с данных, не имеющих пространственной привязки, но основная функциональность ГИС ориентирована именно на работу с пространственными данными.

Связанность - наличие тесной взаимосвязи между пространственной и атрибутивной информацией. В рамках ГИС впервые эти два типа информации были тесно объединены, во многом это определило появление ГИС в виде отдельной области программного обеспечения. Часто ГИС называют системой управления базами данных (СУБД) с возможностью создания карт или системой цифровой картографии с расширенной поддержкой баз данных.

Функции ГИС:

Визуализация – ГИС мощное средство представления данных. Это качество ГИС обычно используется первым, с помощью ГИС создаются наглядные иллюстративные карты и схемы. Современные ГИС уделяют много внимания легкости и производительности именно этой своей функции из-за чего часто рассматриваются лишь как средство создания карт (рис. 37).

Рис. 37. Карта водно-болотного угодья «Дельта Волги»

Организация – одной из основных функций ГИС является организация и управление информацией. Современные ГИС - удобный инструмент помогающий управлять информацией используя пространственный принцип.

Обработка и анализ - функции ГИС, превращающие ее из инструмента по работе с готовыми данными (визуализатора) в инструмент по созданию новых данных на их основе (рис. 38).

Рис. 38. Фрагмент системы организации каталога космических снимков Aster

Составляющими (компонентами) ГИС, исходя из определения являются (рис. 39):

• данные;

• программное обеспечение;

• аппаратное обеспечение;

• персонал;

• функциональные возможности.

Рис. 39. Составляющие компоненты ГИС

Данные – любая пространственная информация и связанные с ними табличная (атрибутивная) информация. ГИС представляет собой одновременно средство по управлению и созданию данных. Создание ГИС часто начинается именно с накопления данных. Данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у внешних поставщиков. Большое количество пространственных данных доступно бесплатно или условно-бесплатно.

Программное обеспечение – функции и инструменты, необходимые для управления, анализа и визуализации пространственной информации, а также управления ГИС в целом. Ключевыми компонентами программных продуктов являются:

• система ввода и обработки географической информации;

• система управления данными;

• системы анализа, визуализации, а также пространственных и атрибутивных запросов (отображения);

• графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам;

• встроенная среда разработки для создания дополнительного ПО.

Аппаратное обеспечение – компьютер, на котором работает ГИС, а также средства вывода (принтеры, плоттеры и т.д.) ГИС могут работать на различных типах аппаратных компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров (PC). В связи с бурным развитием персональных компьютеров также активно выдвигаются вперед и пользовательские ГИС, т.е. ГИС для работы с которыми достаточно и рядового ПК.

Персонал – создание и управление ГИС невозможно без людей. Персоналом ГИС являются как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, создающие и управляющие данными, так непосредственные пользователи.

Функциональные возможности – методологический аппарат, заложенный в ГИС. Современные ГИС включают средства разработки, позволяющие наращивать функциональность и превращать универсальные ГИС в специализированные системы для конкретных отраслей, сфер знания, рабочих коллективов.

Позднее в 2000 г. – ESRI объединила пакет для создания данных - ARC/INFO и пакет для визуализации - Arcview GIS в единый пакет с принципиально новым интерфейсом и расширенными возможностями - ArcGIS. Включение функциональности Arcview и Arcinfo в этом пакете осуществляется по принципу лицензирования, то есть можно говорить об ArcGIS с функциональностью Arcview, ArcGIS с функциональностью Arcinfo (расширенной) и т.д. В зависимости от наличия нужной лицензии. Таким образом, пакет ArcGIS может иметь функциональность (в порядке ее возрастания):

Arcview - базовые возможности картографирования, создания отчетов и картографического анализа.

Arceditor - функциональность больше чем у ArcView, поддерживает возможность построения баз геоданных.

Arcinfo - максимальная функциональность, наиболее мощное приложение ArcGIS Desktop

При проектировании ГИС на основе пакета ArcGIS выбор модификации весьма важен и во многом может определить направление развития проекта.

Независимо от функциональности пакет ArcGIS состоит из 3 основных программ:

ArcMap - работа с данными, создание, редактирование, визуализация. Работа с макетом карты.

ArcCatalog - управление данными, метаданными.

ArcToolbox - набор инструментов для выполнения множества отдельных задач, пространственных и других операций с данными.

Один из важных первых шагов в создании ГИС – выбор системы координат, которые вместе с масштабом, эллипсоидом и проекцией являются частью математической основы карты и ГИС в целом. Понимать такие термины как «система координат», «проекция» также важно для обмена информацией с другими ГИС.

Объекты на карте связаны с реальными объектами на местности с помощью пространственных координат. Местоположение объектов на поверхности земли определяется при помощи географических координат. Хотя географические координаты хорошо подходят для определения местоположения объекта, они не годятся для определения его пространственных характеристик, таких как длина, площадь и т.д., так как географические широта и долгота не являются однозначными единицами измерения. Градус широты равен градусу долготы только на экваторе. Для преодоления этих трудностей, данные переводят из сферических географических координат, в прямоугольные спроектированные координаты.

Таким образом, существует 2 типа систем координат: географические системы координат и спроектированные системы координат.

Географическая система координат использует географические координаты (широту и долготу) базирующиеся одном из эллипсоидов (например, WGS-84 или эллипсоиде Красовского). Сноска – эллипсоид (или сфероид), фигура упрощенно описывающая форму земли, характеризуется размерами большой и малой полуосей. Для представления географической системы визуально координат на плоскость иногда представляют широту как X, долготу как Y. В этом случае визуально сеть меридианов и параллелей выглядит как на рисунке 40.

Спроектированная система координат – прямоугольная система, с началом координат в точке 0,0. Спроектированная система координат связана с географической набором специальных формул - проекцией.

Самыми распространенными системами координат для территории России являются: универсальная общеземная система WGS-84 (World geodetic system - 1984) базирующаяся на эллипсоиде WGS-84 с центром в центре масс земли и референцная (используемая в России и некоторых окружающих странах) - Pulkovo-1942 (СК-42) базирующаяся на эллипсоиде Красовского, начало координат смещено относительно центра масс расстояние около 100 м (поэтому эта система и носит название референцной или относительной). Система WGS-84 широко применяется зарубежом, ее используют практически для всех данных производимых в мире. СК-42 широко используется в российской картографии, на ней основаются все топографические материалы ВТУ ГШ РФ (Военно-топографического управления Генерального штаба Российской Федерации).

Рис. 40. Географическая система координат

Проекция – набор математических формул, использующаяся для преобразования сферической поверхности в плоскость.

По типу поверхности на которую осуществляется проектирование проекции разделяются на:

• Конические (проектирование на конус)

• Цилиндрические (проектирование на цилиндр)

• Азимутальные (проектирование на плоскость касательную сфероиду)

По характеру искажений вносимых в содержание карты после проектирования карты проекции делятся на равноплощадные (отсутствуют искажения площадей), равноугольные (отсутствуют искажения углов и, следовательно формы объектов), равнопромежуточные (отсутствуют искажения длин - расстояния остаются неизменными). Существуют также проекции в которых искажения минимизированы сразу по двум или трем показателям (углы, длины, площади).

Достаточно широко распространены в России и мире проекции UTM (universal transverse mercator) и базирующаяся на нем же ГК (Гаусса-Крюгера, больше распространена в России), последняя отличается от UTM незначительно.

Проекции ввода данных и работы в ГИС могут отличаться от проекции вывода (например, оцифровка материалов может проводиться в одной проекции, а составление макета карты и вывод данных на печать – в другой).

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении объекта, 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 дорога и т.п. При использовании этих сведений 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.

ГИС работают с двумя существенно отличающимися типами данных – растровыми и векторными.

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Она заключается в разделении исследуемого пространства на элементы/ячейки, как правило, равные по величине (рис. 41). В результате получается регулярная сетка (растр, матрица, грид), каждый из элементов которой можно описать двумя координатами (x,y или колонка, ряд) и дополнительным значением для каждой ячейки (Z).

Рис. 41. Растровая модель данных

Самым простым примером растровых данных является - отсканированная карта, также к растровой модели данных относятся космические снимки, цифровые модели рельефа и многие другие данные. Тематически, каждая ячейка растра (элемент изображения, пиксел) может описывать определенное свойство или признак соответствующей ей географической области, например, крутизну склона или высоту над уровнем моря, тип растительности или почвы и т.д.

В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X, Y (рис. 42). 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.

Рис. 42. Векторная модель

Рис. 43. Модель TIN

В векторном виде модель поверхности может быть связана через последовательность точек, распределенных с различной регулярностью, причем каждая точка отражает определенное значение высоты. Через три ближайшие точки можно провести плоскость в виде треугольника, внутри которого будет зафиксирован постоянный уклон. Совокупность таких треугольников и будет представлять модель поверхности, напоминающую кристалл (векторная топологическая модель). Создаваемый по такой поверхности слой в ГИС получил название TIN — нерегулярная триангуляционная сеть (рис. 43). Полная модель поверхности создается путем соединения пары точек ребрами определенным способом — триангуляцией; при этом точки могут располагаться произвольно — регулярно или нерегулярно. TIN позволяет более точно, чем растр моделировать неоднородные поверхности, которые могут резко менять форму на одних участках и незначительно на других.