Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних
.pdfОдним із чинників ефективного використання інформації є ефект від використання просторово-локалізованої інформації, ефективним інструментом аналізу якої є геоінформаційні системи (ГІС) та геоінформаційні технології (ГІТ).
ГІС – це унікальне явище сучасної міждисциплінарної науки, ефективне функціонування якої інтегрує найрізноманітніші дані (космічних і аерофотознімання, інформаційні ресурси, накопичені людством у найрізноманітніших галузях науки), впроваджує передові розробки сучасного програмування, алгоритмізації, прикладної математики тощо. Ми живемо в час, який гучно називається Digital Earth – цифровою Землею.
Однією з властивостей геоінформації є те, що хоча різні люди можуть застосовувати її для розв’язку безлічі різних завдань, сама інформація, а також методи її узагальнення й аналізу залишаються практично однаковими, їх можна використовувати для розв’язку різноманітних задач. Наприклад, школи, муніципальні інженерно-комунальні та дорожньо-ремонтні служби, служби швидкого реагування, планувальники, правознавці, бізнесмени, транспортні організації, діяльність яких здійснюється на певній території, використовують схожі, а часом й однакові, бази даних про територію: топографію, адміністративні межі, адреси, мережу доріг, промислові та сільськогосподарські об’єкти, пам’ятки архітектури і культури, природоохоронні об’єкти, гідрографію тощо. Вони застосовують цю інформацію для розв’язку різноманітних завдань, але базова інформація залишається однією й тією ж. Більше того, функціональність, яку вони використовують для накопичення й аналізу цієї інформації, також у більшості випадків є однаковою (ідентичною) – більшості з них потрібно створювати й візуалізувати карти, плани і схеми, здійнювати адресний пошук, вимірювати відстані й площі, накладати один на одного шари з різною інформацією, аналізувати властивості близькостіта сусідства тощо.
ГІС – сучасні комп’ютерні технології для картографування й аналізу об’єктів реального світу, подій і явищ, що відбуваються та будуть відбуватись у прогнозованому періоді. ГІС – це інформаційна система, яка забезпечує збір, збереження, обробку, доступ, відображення та поширення геопросторових даних [1].
Геопросторові дані – це дані, які ідентифікують географічне місце розташування та властивості природних або штучно створених об’єктів,
а також їх межі на Землі. Ця інформація може отримуватися за допомогою GPS, дистанційного зондування Землі (ДЗЗ), картографування й різноманітних видів знімань тощо.
Як свідчать спеціальні дослідження [22], 75–90 % усієї інформації, яку використовують спеціалісти різного рівня, містять у собі географічні (метричні, просторові) дані, тобто різні відомості про розподіл у просторі або по територіях об’єктів, явищ, процесів, подій. А робота з геоданими і є суттю ГІС.
Сфера використання ГІС дуже широка. Від планування надання медичних послуг до визначення місця під забудову супермаркета, від посадки лісів до встановлення кабельного телебачення, люди з усіх частин земної кулі щоденно обробляють географічні дані, застосовуючи при цьому геоінформаційні технології.
11
Сьогодні важко уявити без ГІС та просторового моделювання й аналізу процес планування, управління, оцінки результатів багатьох сучасних інформаційних технологій, дослідження природних ресурсів, управління арміями і зброєю, діяльність місцевих адміністрацій, виборчі механізми й компанії тощо.
ГІС охоплюють усі просторові рівні: глобальний, регіональний, національний, локальний, муніципальний; інтегрують різноманітну інформацію про нашу планету: картографічну, ДДЗ, статистику та перепис населення, кадастрові відомості, гідрометеорологічні дані, матеріали польових топогеодезичних знімань тощо. Вони застосовуються в усіх галузях господарського комплексу і можуть функціонувати на найрізноманітніших рівнях.
Навіть миттєвий погляд на мапу дає змогу оцінити особливості й закономірності просторово-розподілених подій і явищ. Розроблені в ГІС автоматизовані методи просторового аналізу вже сьогодні є потужною зброєю в руках дослідника, менеджера, керівника будь-якого рівня та навіть простого споживача. Ідеї, закладені в ГІС, стають каталізатором процесів інтеграції ГІТ, надаючи їм новий вимір. При цьому геопросторові дані стають стратегічно важливою інформацією як для корпоративної діяльності, так і в структурі національної безпеки держави.
Геоінформаційна освіта має специфічні риси, які відрізняють її від інших напрямів підготовки: міждисциплінарний характер (математичні, інформаційні та геонауки), вагома інженерно-технологічна складова (геоінформаційні технології), колосальний об’єм графічної інформації (зокрема матеріали ДЗЗ), широкий спектр можливих застосувань тощо. Додаткові складнощі вивчення геоінформатики та ГІС пов’язані з їх орієнтацією на роботу з інформацією, яка істотно розподілена як у часі, так і в просторі.
Предметом ГІС є дослідження закономірностей інформаційного забезпечення користувачів, включаючи принципи побудови системи збору, накопичення, обробки, моделювання й аналізу просторових даних, їх відображення та використання, доведення до користувачів, формування технічних програмних засобів, розробки технології виготовлення електронних і цифрових карт, формування відповідних організаційних структур.
Основні галузі застосування ГІС. ГІТ розвивалися та розвиваються так само швидко, як і інші інформаційні технології з обробки даних. Фактично вони йшли тим же шляхом розвитку, що й будь-які інші інформаційні технології – введення даних, редагування даних, організація потоків даних, вихід в Інтернет.
Сьогодні ГІС працюють і на персональних комп’ютерах, і на серверах, і в Інтернет, і на КПК, і навіть на мобільних телефонах. Застосування ГІС можна знайти практично скрізь. Але найбільшу віддачу можна отримати там, де основне значення має просторовий характер інформації: в геології, екології, картографії, землекористуванні, військовій справі, – тут ГІС працюють уже давно і дуже успішно. Саме там створювалися перші ГІС.
Більшість застосувань ГІС визначається їх здатністю пов’язувати просторову й описову (атрибутивну) інформацію з можливістю їх спільного аналізу. ESRI називає близько 80 галузей використання ГІС. У переліку геоінформаційних додатків можна виділити базові типи поширених завдань
[54, с. 121–134]:
12
1)завдання обліково-інвентаризаційного типу, де акцент робиться на даних, вимірах та оцінці "ступеня подібності" (задачі земельного кадастру, підрахунки запасів природних ресурсів, управління розподіленою виробничою інфраструктурою). Це найпоширеніший тип додатків ГІС. Для додатків такого типу характерна робота з великою кількістю географічних об’єктів і висока детальність вивчення територій;
2)завдання планування розвитку, вибору маршрутів і управління перевезеннями. Специфіка додатків цього типу пов’язана з нетрадиційними постановками оптимізаційних завдань, заданими на структурах припустимих шляхів;
3)моделювання і складні методи аналізу даних. Типове завдання – про-
гнозування повеней через аналіз водозбору та водостоку на заданому рельєфі. Як приклад розглянемо галузі, де застосування ГІС стало вже традиційним.
Управління та планування розвитку територій. Ця галузь ґрунтується на передбачуваній поведінці різних соціальних груп, які визначають суспільні потреби та можливості, що мають задане або передбачуване розміщення і динаміку в межах певної території.
Містобудування й архітектура. Проектування, інженерні вишукування, планування в містобудуванні, архітектурі. Це типова робота міських служб, що забезпечують нормальний розвиток підвідомчої території.
Інженерна інфраструктура. Інвентаризація, облік, планування розміщення об’єктів розподіленої виробничої інфраструктури (водопостачання, водовідведення, теплопостачання, газопостачання, електропостачання) та управління ними, оцінка стану та прийняття рішень при ремонтних або аварійних ситуаціях.
Управління земельними ресурсами, земельні кадастри. Галузь харак-
терна своєю власне географічною орієнтацією. Типовими задачами виступають складання кадастрів, класифікаційних карт, визначення меж ділянок, площ тощо.
Управління природними ресурсами та природоохоронна діяльність.
Тут типовими проблемами є визначення поточних станів і запасів спостережуваних ресурсів, моделювання процесів у природному середовищі та побудова обґрунтувань рішень, прийнятих за управління засобами, що змінюють природні ресурси.
Геологія, мінерально-сировинні ресурси, горно-видобувна промисло-
вість. Специфіка таких проблем полягає в тому, що потрібно розрахувати запаси корисних копалин на певній території за результатами визначення в окремих точках (розвідницьке буравлення, пробні шурфи тощо) при відомій моделі процесу утворення родовища.
Планування й управління перевезеннями (логістика). На карті задаються пункти збереження вантажів зі своїми характеристиками, пункти, що очікують потрібні їм вантажі; засоби перевезення зі своїми характеристиками, позицією, станом і спеціалізацією; мережа доріг зі своїми характеристиками (середня швидкість, ремонти, об’їзди, пробки, границі, митні пункти тощо). Потрібно скласти план перевезень і корегувати його при виникненні непередбачених ситуацій.
13
Наземне, аерота гідронавігаційне картографування й керування наземним, повітряним і водним транспортом. Традиційні галузі зі зрозу-
мілими завданнями. Особливе місце займають завдання керування рухомими об’єктами за умовою виконання заданою системою відношень між ними та нерухомими об’єктами.
Маркетинг і аналіз ринку. Визначення тенденцій розвитку ситуації, оцінка впливу різних топологічних властивостей – близькості, перетинань і суміщень різних ареалів на їх взаємодію, урахування різних умов визначених на об’єктах із заданими позиціями, потребамита можливостями їх розвитку.
Сільське господарство. Підрахунок запасів ресурсів за низкою точкових вимірів, планування перевезень, взаємодія динаміки зміни ареалів, категоризація та виділення "подібності" просторових об’єктів, точне землеробство.
Надзвичайні ситуації. Облік потенційно небезпечних об’єктів, моделювання наслідків у надзвичайних ситуаціях.
Служби швидкого реагування. Суспільна безпека, пожежогасіння, швидка медична допомога.
Додатково до зазначених галузей треба віднести державне, регіональне та муніципальне управління, демографію, зонінг, реєстрацію власності, оподатковування, банківську справу, сфери сервісу, торгівлі, бізнесу, соціального страхування, моніторингу природного середовища, екологію, оцінку можливих впливів на природу, водні ресурси, гідрологію, ґрунтознавство, лісове господарство, галузі військового застосування.
Зазвичай, чим більше різноманітних даних уведено в ГІС, тим більше різних видів аналізу можна здійснювати, тим більше нових вторинних даних можна отримати на основі наявних. При цьому, розв’язок багатьох відомих завдань істотно спрощується. Наприклад, за цифровою моделлю рельєфу та схемою доріг ГІС дозволяє будувати висотні профілі доріг і визначати небезпечні ділянки. Навіть якщо ці дані користувач уже отримав з інших джерел, можливість їх незалежного створення може бути використана для перехресної перевірки даних і покращання вірогідності бази даних у цілому. Причому, систему можна організувати таким чином, щоб інші перевірки провадилися автоматично, перешкоджаючи внесенню в неї некоректних даних. Схожий механізм широко використовується в стандартних реляційних СКБД, які не містять інформації про властивості простору та просторові відношення об’єктів, інформацію про які вони зберігають. Тут інструменти ГІС виявляються незамінними.
ГІС – це багатомільйонна індустрія, в яку залучені мільйони людей у всьому світі. ГІС вивчають в школах, коледжах і університетах. Цю технологію застосовують практично в усіх сферах людської діяльності, наприклад, для аналізу глобальних проблем перенаселення, забруднення території, скорочення лісових угідь, природних катастроф. Вони використовуються для розв’язку окремих завдань, таких, як пошук найкращого маршруту руху між пунктами, підбір оптимального розташування нового офісу, пошук будинку за його адресою, прокладка трубопроводу або лінії електропередачі на місцевості, різні муніципальні завдання (наприклад, реєстрація земельної власності).
14
ГІС не тільки дозволяють інтегрувати в єдине інформаційне середовище різноманітну інформацію, але й надають різноманітні засоби візуалізації. Так, наприклад, ArcView GIS при підключенні відповідних модулів дозволяє відображати на карті траєкторії транспортних засобів у динаміці, візуалізувати карти в тривимірному зображенні, поєднати векторні карти з аерота космічними знімками тощо.
Отже, можливості ГІС можуть бути задіяні в найрізноманітніших сферах діяльності, зокрема:
– адміністративно-територіальному управлінні:
•ситуаційне управління;
•міське планування та проектування об’єктів;
•ведення кадастрів інженерних комунікацій, земельного, містобудівного, зелених насаджень;
•прогнозування надзвичайних ситуацій техногенно-екологічного характеру;
•керування транспортними потоками та маршрутами міського транспорту;
•побудова мереж екологічного моніторингу;
•інженерно-геологічне районування міста;
– телекомунікаціях:
•транковий і стільниковий зв’язок, традиційні телекомунікаційні мережі;
•стратегічне планування телекомунікаційних мереж;
•вибір оптимального розташування антен, ретрансляторів тощо;
•визначення маршрутів прокладки кабелю;
•моніторинг стану мереж;
•оперативне диспетчерське управління;
– інженерних комунікаціях:
• оцінка потреб у мережах водопостачання та каналізації;
• моделювання наслідків стихійних ситуацій для систем інженерних комунікацій;
• проектування інженерних мереж;
• моніторинг стану інженерних мереж і запобігання аварійних ситуацій;
– транспорті:
• автомобільний, залізничний, водний, трубопровідний, авіатранспорт;
• керування транспортною інфраструктурою та її розвитком;
• керування парком рухомих засобів і логістика;
• керування рухом, оптимізація маршрутів і аналіз вантажопотоків;
• навігація;
– нафтогазовому комплексі:
• геологорозвідка та польові досліджувані роботи;
• моніторинг технологічних режимів роботи нафто- і газопроводів;
• проектування магістральних трубопроводів;
• моделювання й аналіз наслідків аварійних ситуацій;
– силових відомствах:
•служби швидкого реагування, збройні сили, прикордонні війська, МВС, пожежні служби, МНС;
•планування рятувальних операцій і охоронних заходів;
15
•моделювання надзвичайних ситуацій;
•стратегічне та тактичне планування військових операцій;
•навігація служб швидкого реагування й інших силових відомств;
– екології:
•оцінка та моніторинг стану природного середовища;
•моделювання екологічних аварій і катастроф, аналіз їх наслідків;
•планування природоохоронних заходів;
– лісовому господарстві:
• стратегічне управління лісовим господарством;
• управління лісозаготівлями, планування підходів (під’їздів) до лісу та проектування доріг;
• ведення лісових кадастрів;
– сільському господарстві:
•планування обробки сільськогосподарських угідь;
•облік землевласників і орних земель;
•оптимізація транспортування сільськогосподарських продуктів і мінеральних добрив;
•точне землеробство.
ГІС розвиваються в напрямках:
1)підготовка картографічних продуктів;
2)створення інформаційно-довідкових систем;
3)аналіз, моделювання та прогнозування.
Фахівці, які працюють у галузі ГІС і ГІТ, займаються:
–збором і накопиченням первинних даних;
–проектуванням баз даних;
–проектуванням ГІС;
–плануванням, управлінням і адмініструванням геоінформаційних проектів;
–розробкою та підтримкою ГІС;
–маркетингом і поширенням геоінформаційної продукції та геоданих;
–професійною геоінформаційною освітою та навчанням ГІТ. Головними споживачами геоінформації є (можуть бути): структури ви-
конавчої влади, планові підрозділи, податківці, юридичні й правозахисні органи, архітектори всіх рівнів і земельні служби міст і районів, комунальники, лісники й водники, науково-дослідні та проектні інститути, будівельні організації, біржі всіх призначень, торговельні організації, інспекції та контрольні органи соціально-економічного й технічного нагляду, закордонні партнери та інвестори, комерсанти, підприємці, приватні особи.
На даному етапі розвитку суспільства спостерігається все більш широка взаємодія геоінформаційних і мережевих технологій, яка породжує інтегральне мережеве геоінформаційне середовище, що базується на багатьох тематичних базах даних, єдиних тематичних моделях і спільному програмному забезпеченні. ГІС, озброєні Web-серверами, по суті, стають глобальною ГІС. У зв’язку з цим різко зростає потреба набуття знань у галузі ГІС і ГІТ.
16
І. ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ ПРО ІНФОРМАЦІЙНІ ТА ГЕОІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ
У житті, зазвичай, процвітає більше інших той, хто володіє кращою інформацією.
Б. Дізраелі
У процесі розвитку інформаційного суспільства будь-який фахівець повинен вміти швидко сприймати й опрацьовувати великі обсяги інформації, використовувати сучасні комп’ютерні засоби, методи та інформаційні технології. Нові умови роботи ставлять у залежність інформованість однієї людини від інформації, добутої іншими людьми. Тому потрібно освоїти такі технології роботи з інформацією, коли готуються та приймаються рішення на засадах колективних знань, тобто людина повинна мати певний рівень інформаційної культури.
Інформаційна культура вбирає в себе знання тих наук, які сприяють її розвитку та пристосуванню до конкретного виду діяльності (кібернетика, інформатика, теорія інформації, математика, теорія проектування баз даних тощо). Невід’ємною частиною інформаційної культури є знання нових інформаційних технологій, передусім геоінформаційних, та уміння застосовувати їх як для автоматизації шаблонних операцій, так і в ситуаціях, що потребують нетрадиційного творчого підходу.
1.1. Загальні поняття про інформацію
Поняття "дані" у повсякденному житті часто використовується як синонім до терміна "інформація". Проте доцільно розрізняти ці два поняття. Термін "дані" може використовуватися в декількох аспектах. Якими ж можуть бути дані?
1.Первинними фактами, які об’єктивно відповідають у реальному світі певним предметам або умовам, незалежно від способу фіксації й інтерпретації людиною. Одне дерево вище за інше, а річка тече у напрямку сходу Сонця незалежно від того, чи спостерігає їх людина, чи ні. І якщо спостерігає, то як вона сприймає цю інформацію, або чи сприймає її взагалі.
2.Дані можуть бути зафіксовані тим або іншим способом, який не передбачає інтерпретації, наприклад, записані на магнітному носієві електронним датчиком (сейсмічні сигнали) або на фотоплівку (фотографії ландшафту).
17
3.Дані можуть бути інтерпретовані людиною безпосередньо в процесі їх фіксації тим або іншим способом, наприклад, польова замальовка ландшафту, зроблена географом, заповнена співробітником соціологічної служби анкета, вербальний (словесний) опис оголення гірських порід у польовому щоденнику геолога тощо.
4.Дані можуть бути закодовані певним чином, наприклад, у вигляді паперової карти з певною легендою, у вигляді набору чисел – координат точок виміру глибин океану і власне виміряних глибин.
5.Дані можуть бути структуровані або організовані певним чином, наприклад, у вигляді таблиць із результатами перепису населення або у вигляді просторової бази даних під керуванням інформаційної системи.
Дані – це конкретність, що подана в певній формі (числом, записом, повідомленням, таблицею тощо), яка має якісну та кількісну характеристику об’єктів і придатна для постійного збереження, передачі й автоматизованого опрацювання.
Самі по собі дані не є цінністю. Дійсно, як можна віднестись, наприклад, до таких даних:
(1)– "тридцять сім з половиною";
(2)– "2 + 1 = 3";
(3)– "Євнухович став директором".
Перше викличе здивування; друге – відчуття тривіальності (це знає кожний); третє – міркування, а хто такий Євнухович? У всіх наведених прикладах дані з різних причин – неінформативні, для того, щоб надати їм інформативності, тобто перетворити їх в інформацію, необхідно здійснити інтерпретацію даних.
Інтерпретація – процес перетворення даних в інформацію, про-
цес надання їм змісту. Цей процес залежить від багатьох факторів: хто інтерпретує дані, яку апріорну інформацію вже має інтерпретатор, з яких позицій він розглядає отриманні дані тощо. Процес інтерпретації може здійснюватись особою або групою осіб, при цьому він може бути творчим, наприклад, розв’язок складної математичної задачі, або формальним, наприклад, визначення часу за годинником.
Дані – це повідомлення, спостереження. Якщо з’являється можливість використати їх для зменшення неповноти знань про що-небудь, вони перетворюються в інформацію.
Інформація – це дані, які можна використовувати з користю, наприклад, для збільшення знань про певні явища або предмети реального світу.
Інформація тісно пов’язана зі знаками (символами), які відображають її за допомогою мови. Якщо ми маємо в базі даних певну множину чисел і при цьому не володіємо ніякими, навіть приблизними знаннями про те, що це за числа, до якої предметної сфери вони відносяться, які величини представляють і для чого призначені, то ці числа навряд чи зможуть надати
18
корисну інформацію, тому неспроможні зменшити невизначеність наших уявлень про оточуючу дійсність. Однак усі ці цифри, що зберігаються в базі даних, є даними. Інформація, яка "витягується" з них, ґрунтується на певних знаннях про предмет. Наприклад, велосипед (рис. 1.1) може бути графічно представлений у вигляді кілець і декількох ліній, які зображують раму, вилку, руль, сідло, педалі тощо.
Рис. 1.1. Велосипед і його графічне зображення на дорожньому знаку "Велосипедна доріжка"
Такий геометричний образ є сукупністю елементів даних. Кожний окремий графічний елемент можна розглядати як дані. Але необхідні певні людські знання й уявлення для того, щоб цей графічний образ зображував предмет реального світу, який називається велосипедом і слугує засобом пересування.
На дошці оголошень з обміну квартир можна побачити оголошення з такими даними: "1 + 1 = 3", що означає: "Міняю дві однокімнатні квартири на трикімнатну". Однак чи була б можлива така інтерпретація даних, наприклад, у підручнику з арифметики? Мабуть, ні. Інший приклад. У базі даних є певні пари чисел. Тільки знання про те, що ці числа є картографічними координатами, розуміння того, що взагалі являє собою система координат, що таке картографічна проекція і про яку картографічну проекцію взагалі йде мова, як організована система координат у даній проекції, як направлені її осі, де розташовується початок координат, і які масштаби на осях та в яких одиницях виміру представлені дані координати, дозволяють надати зміст цим числам. Тільки знаючи все зазначене, можна стверджувати, що дані, представлені цими числами, є інформацією про просторове положення певних об’єктів. А для того, щоб зрозуміти або припустити, що це за об’єкти, місцеположення яких визначається, ще потрібна додаткова інформація.
Таким чином, щоб здобути з окремо взятих даних, які не знаходяться в будь-якому змістовному контексті, корисну інформацію, необхідна певна додаткова інформація особливого, структурного плану, що допоможе проінтерпретувати нові дані та ввести їх у загальну систему знань про оточуючий нас світ.
19
Процес перетворення даних у інформацію представлений на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Процес перетворення даних в інформацію
При описі даних природною мовою дані та їх інтерпретація зазвичай фіксуються разом. У комп’ютерному поданні дані й інтерпретація розділені: програми мають справу безпосередньо з даними, а семантика найчастіше взагалі не фіксується. Задачу інтерпретації даних покладають на програму, яка використовує певну модель даних.
Знання – спроможність отримувати на підставі одних даних інші. До того часу, поки не з’явиться інформація про те, як ці дані пов’язані з системою знань, вони не будуть корисною інформацією. Як тільки вдається залучити певні відомості про структуру даних і їх зв’язок з існуючою системою знань, вони пов’язуються з цією системою, стають її частиною і тим самим збільшують знання про цю систему, а значить стають корисною інформацією.
Таким чином, знання припускають системність, структурованість інформації, забезпечуючи можливість опису не тільки властивостей, але і взаємозв’язки між явищами й об’єктами реального світу. Цінність даних зростає на шляху від роз’єднаних елементів даних до корисної інформації та до системних знань.
З іншого боку, дані – це фізичне представлення (подання) інформації.
Інформація – набір повідомлень про об’єкти та явища навколишнього середовища (у вигляді сукупності символів, які є образами цих об’єктів, явищ), їх параметри, властивості та стан, що зменшують наявний ступінь невизначеності неповноти знань і які мають змістовне навантаження.
Властивості знаків і знакових систем вивчає наука семіотика. Семіотика виділяє три основні аспекти вивчення знаків і знакової системи:
–синтактику, що вивчає внутрішні властивості систем знаків без урахування інтерпретації (правила побудови знаків у межах знакової системи);
–семантику, що розглядає відношення знаків до позначеного концепту (змістовного значення), або відношення між знаками та їх концептами, незалежно від того, хто є інтерпретатором;
–прагматику, яка досліджує зв’язок знаків з концептом і денотатом1 за допомогою інтерпретатора, тобто проблеми інтерпретації знаків
1Денотат (від лат. denotatus – позначений, визначений) – об’єкт, те, що можна назвати певним ім’ям.
20