Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних

прийняття рішень" [Vitek J. D. Accuracy in geographoc information systems: an assessment of inherent and operational errors. J. D. Vitek, St. J. Walsh, M. S. Gregory // Record 9th Symp. Spat. Technol. Remote Sens. Today and Tomorrow. Sioux Falls, S. D., 2–4 Oct. 1984. – Proc. Liver Spring, 1984. – Рp. 296–302].

Найбільш повне визначення, запропоновано фахівцями Інституту дослідження систем навколишнього середовища (ESRI) у посібнику ко-

ристувача системи ARC / INFO: "Географічна інформаційна система –

це організований набір апаратних і програмних засобів, географічних даних і персоналу, призначений для ефективного отримання, збереження, відновлення, обробки, аналізу й одержання зображення всіх видів географічно прив’язаної інформації. За допомогою ГІС можуть бути виконані реальні складні просторові операції, які за інших умов були б дуже складними, тривалими в часі або непрактичними"

[Understanding GIS, 1997].

Отже, розробниками ARC / INFO підкреслюється унікальність ГІС як потужного інструменту для просторового аналізу.

Як відзначає Nicholas Chrisman, одне із загальних визначень ГІС було прийнято в результаті консенсусу 30 фахівців: "Географічна інформаційна

система – система обладнання, програмного забезпечення, даних, людей, організацій та інститутських домовленостей для збору, збереження, аналізу й поширення інформації про території Землі". Як бачимо,

крім апаратного, програмного та інформаційного забезпечення, надається значення й організаційному аспекту ГІС.

Аналіз вищезазначених визначень дозволяє стверджувати, що відмінності між ними не є істотними. Виділимо головне, що притаманне майже для всіх визначень ГІС:

–по-перше, ГІС – це складна багатофункціональна структура, якій характерна внутрішня організація, емерджентність і яка діє як одне ціле;

–по-друге, ГІС – це ІС, тобто система обробки даних, яка володіє засобами накопичення, збереження, поновлення, пошуку та видачі даних;

–по-третє, ГІС здатна опрацьовувати просторову (простороворозподілену, просторово-координовану, позиційну) інформацію;

–по-четверте, ГІС має у своєму арсеналі специфічні засоби аналізу

ймоделювання просторових даних.

Отже, можна запропонувати таке визначення ГІС: "Геоінформаційна

система (ГІС) – це система апаратно-програмних засобів і алгоритмічних процедур, що створена для цифрової підтримки, поповнення, управління, маніпулювання, аналізу, математико-картографічного моделювання й образного відображення географічно координованих даних".

Сполучним елементом для всіх сфер застосування ГІС у різних галузях є відношення інформації до простору. Це відношення проявляється

41

в можливості виконання користувачем просторових запитів. Відношення до простору полягає в можливості маніпуляцій дво- і тривимірними координатами, отриманими прямим виміром (первинна метрика), або на основі певної семантичної залежності від інших показників (вторинна метрика).

Технологічно, історично та "генетично" геоінформатика формувалася і продовжує розвиватися в оточенні суміжних наук і технологій, предметно і методично родинних їй (рис. 1.10) і на їх інтеграції.

Рис. 1.10. Зв’язок ГІС з іншими дисциплінами

Так, наприклад, геодезія забезпечує створення та ведення єдиної територіальної координатно-часової системи, здійснення вимірів геометричних параметрів геопростору й об’єктів, що знаходяться в ньому, розміщення в геопросторі та монтаж по координатах нових об’єктів будівництва і технологічного устаткування, здійснення навігації людей і транспорту по території, контроль просторового стану інженерних споруд та інших об’єктів у процесі їх експлуатації і ще цілу низку робіт. Геодезичні процеси здійснюються безпосередньо на об’єктах діяльності, пов’язані з розміщенням і переміщенням виконавців на території розташування цих об’єктів, тобто з польовими роботами.

Результатом геодезичних робіт є просторово-координована інформація у вигляді координат точок, складальних оригіналів топографічних карт і планів території різної точності та детальності в аналоговій і цифровій формах.

Дистанційне зондування забезпечує одержання просторово-коорди- нованої інформації про навколишній простір шляхом дистанційного

42

знімання території і об’єктів, що знаходяться на ній з носіїв аерокосмічного базування й наступної обробки одержаних даних.

Більшість процесів дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) здійснюється в камеральних умовах, ґрунтується на координатно-часовій системі, створеній у процесі геодезичних робіт, і на методах комп’ютерної обробки просторових даних. Результатом ДЗЗ також є просторово-координована інформація у вигляді координат точок, складальних оригіналів карт і планів території різної точності та детальності в аналоговій і цифровій формах.

Картографія забезпечує складання і створення видавничих оригіналів, тиражування карт, планів, атласів різного змісту, призначення, точності, детальності в аналоговій і цифровій формах.

Картографічні процеси здійснюються в камеральних умовах переважно шляхом комп’ютерної обробки просторово-координованих даних, одержаних у процесі геодезичних робіт, ДЗЗ і цифрування карт.

ГІС – забезпечують вивчення, аналіз і моделювання навколишнього світу в просторовому аспекті, оцінку його стану та динаміки, прогнозування розвитку ситуації, вироблення просторових рішень на основі переробки просторово-координованої інформації.

Геоінформаційні процеси здійснюються в камеральних умовах шляхом комп’ютерної обробки просторово-координованих даних.

Результатом геоінформаційної обробки є моделі геопростору різного призначення, предметного змісту, точності та детальності, аналітичні характеристики геопростору, просторові рішення для планування й управління територіями і функціонуючими на них об’єктами життєдіяльності людини, а також для використання природних ресурсів і об’єктів.

Отже, можна зробити висновок, що ГІС – результат інтеграції паралельного розвитку багатьох наукових дисциплін з обробки просторових даних.

Основними складовими геоінформатики є:

1.Загальна геоінформатика.

2.Прикладна геоінформатика.

3.Спеціальна геоінформатика.

Загальна геоінформатика – розділ геоінформатики, що вивчає загальні властивості просторової інформації без конкретизації її змісту, займається дослідженням і розробкою наукових засад, концепцій, узагальненим аналізом безвідносно до її прикладного характеру.

Як загальна інформатика вивчає загальні та універсальні властивості інформації, а не специфічні для конкретної предметної галузі, так і загальна геоінформатика вивчає загальні властивості просторової інформації, незалежно від її конкретного змісту.

Як для загальної інформатики існують специфічні гілки, що розвиваються на її перетинах із конкретними предметними галузями та науковими

43

дисциплінами, так і в геоінформатиці можна вести мову про існування або можливість появи специфічних гілок – геологічної, археологічної, історичної, екологічної геоінформатики, геоінформатики транспорту тощо.

Прикладна геоінформатика – розділ геоінформатики, що вивчає практичні методи робіт з ГІС і ГІТ.

Спеціальна геоінформатика – розділ геоінформатики, що слугує основою для аналізу систем і методів обробки просторових даних.

Геоінформаційні технології (ГІТ) – сукупність методів і прийомів практичного використання досягнень геоінформатики для маніпулювання просторовими даними, їх подання й аналізу.

1.8. Галузі застосування ГІС

За розрахунками фахівців MapInfo, від 70 % до 90 % інформації, з якою зіштовхується пересічна людина у своєму повсякденному житті, має територіальну (просторову) прив’язку і її обсяг, як свідчить практика, експоненційно зростає. Тому назвати всі галузі застосування ГІС досить складно, головні з них:

–теоретичні й експериментальні дослідження в галузях розвитку наукових і методичних основ геоінформатики;

–розробка технічних засобів збору, реєстрації, збереження, передачі

йобробки просторової інформації з використанням обчислювальної техніки;

–створення ГІС різного призначення й типу (довідкові, аналітичні, експертні тощо), просторового охоплення і тематичного змісту;

–розробка та створення баз і банків даних у різних галузях і предметних сферах, а також систем керування базами просторових даних;

–розробка баз знань у різних галузях;

–розробка математичних методів, математичного, інформаційного, лінгвістичного та програмного забезпечення для ГІС;

–розробка й удосконалення геоінформаційного картографування та інших видів геомоделювання;

–застосування системних підходів до аналізу багаторівневої і різноманітної геоінформації;

–розробка комп’ютерних геозображень нових видів і типів, анімаційних, мультимедійних, віртуальних та інших електронних продуктів;

–розробка та вдосконалення інфраструктури просторових даних, методів і технології збереження й використання геоінформації на основі розподілених баз даних і знань;

–застосування телекомунікаційних систем збору, аналізу, обробки і поширення просторово-часової геоінформації;

44

– взаємодія геоінформатики, картографії й аерокосмічного зондування.

Значення наукових і технічних проблем геоінформатики полягає в забезпеченні інформацією, контролі й підтримці прийняття управлінських рішень у сферах планування та проектування, досліджень у науках про Землю та суміжних з ними соціально-економічних науках, у розвитку освіти й культури, збереженні екологічної рівноваги, попередження виникнення надзвичайних ситуацій, забезпеченні обороноздатності країни тощо.

Від географії ГІС успадкували принципи та методи картографічного відображення простору, зокрема принципи просторової локалізації будьякої інформації, яка надходить і зберігається в ГІС. Це служить концептуальною основою для інтеграції будь-яких баз даних, накопичених у будь-яких сферах людської діяльності, оскільки всі дані можуть бути "прив’язані" до найбільш природної та зрозумілої для людини системи відліку – координат на поверхні Землі.

Крім того, застосування принципів картографічного аналізу та моделювання дозволяє найбільш ефективно виявляти просторові географічні закономірності, зв’язки і тенденції. З іншого боку, загальні методи інформатики формують для ГІС єдину технологічну основу (системний підхід, спільні для багатьох інформаційних технологій формати і структури даних, методи управління даними, глобальні засоби комунікації, спільну інформаційну структуру). Також технології автоматики дозволяють автоматизувати процес збору, збереження й опрацювання просторових даних. Таке поєднання підходів до опису, відображення й аналізу об’єктів і явищ реального світу і визначає надзвичайно швидкий розвиток ГІТ у всіх сферах життєдіяльності людини та їх здатність виконувати інтегруючу роль у постановці та вирішенні глобальних проблем інформатизації суспільства.

Ще 20–25 років тому вчені прогнозували, що ХХІ століття стане епохою біології. Однак сьогодні в науковому світі переважає думка, що в найближчі десятиліття на трон "цариці наук" може сісти геоінформатика.

ГІС ефективні в усіх галузях, де здійснюються облік й управління територією та об’єктами на ній. Ці системи виявилися надзвичайно ефективними для розв’язку задач управління і планування, які зустрічаються в будь-якій сфері діяльності людини, від цивільного будівництва до моніторингу навколишнього середовища та різноманітних науково-практич- них досліджень. ГІС використовують для вивчення як природних, так і антропогенних явищ. Зокрема, для вирішення задач міського планування необхідне глибоке розуміння зв’язку між розселенням і такими елементами інфраструктури, як дорожні розв’язки, школи, лікарні, пости міліції тощо. В той же час предметом вивчення геоморфології, ґрунтознавства, екології та інших наук є природні об’єкти і явища (наприклад, гірські

45

породи, розподіл ґрунтів і рух тектонічних плит). ГІС використовують і для спільного дослідження антропогенних і природних явищ, зокрема для вивчення антропогенного впливу на природне середовище при будівництві великих промислових об’єктів. Можна також згадати такі галузі застосування ГІС, як аналіз здійсненності проектних рішень (наприклад, оцінка придатності ділянки для будівництва), моделювання ерозії ґрунтів тощо.

ГІС – це технологія, яка дозволяє розкрити всі грані інформації, укладеної в простих табличних адресах, а також в інших даних, які описують розташування (коди поштового індексу, коди області або району, широту і довготу) просторового об’єкта. ГІС підтримує управління даними, аналіз і прийняття рішень, створюючи, таким чином, основу, на якій дані записів по рахунках, демографічні відомості про покупців, торгова статистика можуть бути об’єднані з просторовими (картографічними) даними, щоб надати новий зміст місцю розташування об’єкта. Тому карти можуть використовуватися для організації запитів з бази даних, або база даних використовується для створення карт та інших наочних зображень.

Таким чином, ГІС утворює основу для потужної системи спостереження за ресурсами, процесами, явищами, подіями, яка використовує просторово-координатну прив’язку (позиціонування) – найбільш важливий фактор для будь-якого виду діяльності.

Але в роботі з ГІС існують і певні складності, наприклад, велика залежність від вихідних геоданих, їх точності та чіткості перенесення в ГІС. Вадою може бути і певна складність аналізу об’єктів, хоча ця проблема вирішується за допомогою підключення додаткових модулів і настроюванням системи під конкретні проблеми.

Найбільш складні технологічні рішення включають у себе експертну підтримку.

ГІС дають можливість використовувати для введення інформації та її оновлення сучасні електронні засоби геодезії й системи глобального позиціонування (GPS), тобто дають можливість отримання точної, актуальної та достовірної інформації. Наприклад, усі зміни в рельєфі можуть швидко передаватися в ГІС, а це надасть можливість з максимальним наближенням виконувати певні прогнози й приймати обґрунтовані рішення.

Сучасні тенденції еволюції програмного і технічного забезпечення ГІС змусили різко змінити політику та ідеологію їх подальшого розвитку. Ці тенденції в галузі ГІТ передусім призвели до різкого розширення ринку користувачів за рахунок сфер і фахівців, колись "далеких" від ГІС.

Зручність й широкі можливості ГІТ, гостра потреба обміну інформацією привернули увагу фахівців багатьох сфер виробництва й управління, які переступили поріг можливостей аналізу даних без їх конкретної наочної прив’язки до об’єктів. Візуалізація даних, оперування просторовими

46

категоріями, потужні аналітичні можливості просторового моделювання, повноцінна робота зі стандартними СКБД – це лише окремі потужні риси ГІС, що, безперечно, вплинули на стрімке зростання прихильників цієї технології. У свою чергу, багато компаній-розробників програмних засобів у галузі ГІС стали орієнтуватися на різноманітні за своїми потребами та рівнями підготовки користувачів, поставляючи на ринок різнопланові варіанти геоінформаційних пакетів.

1.9. Компоненти ГІС

Компоненти4 ГІС – частини системи, виділені за певною ознакою або сукупністю ознак, що розглядаються як єдине цілісне утворення.

Роботу ГІС демонструє такий приклад: уявімо, що існує певна кількість прозорих плівок, на кожній із яких позначені конкретні тематичні об’єкти (наприклад, корисні копалини, мережі: річкова, транспортна тощо). Компонуючи ці прозорі плівки, згідно з певними вимогами, можна відобразити об’єкти та їх тематичні комбінації, які можуть зацікавити користувача або замовника. В цьому випадку комп’ютер і ГІС не потрібні, оскільки користувач переглядає об’єкти, тематичні шари та іншу інформацію, що його цікавить. Однак, у реальному житті доволі часто виникає необхідність збільшувати або зменшувати зображення, точно вимірювати геометричні характеристики об’єктів (довжину вулиць, відстань між населеними пунктами, площу лісового масиву тощо), отримувати вичерпну інформацію про певні об’єкти (наприклад, визначивши промислове підприємство, отримувати інформацію про його профіль, характер забруднень, вплив на навколишнє середовище, дані моніторингу за декілька років по цьому підприємству тощо. Крім того, ГІС можна використовувати як пошукову систему. У цьому випадку формується запит, у якому перераховуються всі характеристики, що цікавлять або можуть зацікавити користувача чи замовника, наприклад, заводи харчової промисловості, що збудовані після 2013 р., які б знаходилися на відстані, що не перевищує 10 км від окружної дороги тощо.

ГІС дозволяє проводити за допомогою вбудованого потужного математичного апарату аналітичну обробку інформації, причому як внутрішньої (та що знаходиться в базах даних ГІС), так і зовнішньої (аналіз супутникових знімків, їх дешифрування, виділення інформації та тих об’єктів, які цікавлять користувача), а в більш складних ситуаціях навіть здійснювати моделювання реальних подій. Наприклад, ГІС дає можливість

4Компонента – складова частина певного цілісного утворення.

47

оперативно прогнозувати ймовірні місця розривів на трасі трубопроводу, відслідковувати шляхи поширення забруднень, оцінювати можливу шкоду природному середовищу, обчислювати необхідний обсяг коштів, потрібних для ліквідації аварії, і навіть готувати платіжні доручення: одне – для ліквідації наслідків аварії; інше – для ремонту трубопроводу (якщо, наприклад, ГІС інтегрована з пакетом бухгалтерської програми "1С:Підприємство").

Основні компоненти ГІС представлені на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Компоненти ГІС

Інформаційне забезпечення ГІС є відповідним чином закодованою просторовою інформацією, тобто інформацією, пов’язаною з місцем її розташування. Просторові дані складаються з цифрових представлень реально існуючих дискретних просторових об’єктів (процесів, явищ, подій).

У багатьох випадках найбільш складною частиною постачання даних у ГІС є їх співвіднесення з місцем розташування об’єкта – цей процес називається геокодуванням5 або геоприв’язкою.

Маючи справу в ГІС з розміщеними в географічному просторі об’єктами, їх положення може бути описано за допомогою:

– географічної прив’язки (територіальний принцип: материк, країна, місто). В цьому випадку геоприв’язкою виступає певна територія;

5Геокодування – процес, що перетворює опис місця розташування (наприклад, координати, адресу або назву місця) в місце розташування на поверхні Землі.

48

–адресної прив’язки (країна, індекс, вулиця, дім, поверх, корпус, квартира або кадастровий номер об’єкта);

–координатної прив’язки (градуси, мінути, секунди) іноді з позначенням висоти;

–атрибутивної прив’язки (ліворуч від вокзалу, напроти виходу, біля церкви в Кукуєво, південніше східної околиці села Гадюкино, збоку від заправки, на рівнині, на 30 кілометрі траси Е-95, в горах) тощо.

Отже, в певному наборі даних ГІС повинен існувати елемент, який визначає його положення. Елемент, що визначає місце об’єкта, назива-

ється геокодом.

Однорідні дані в ГІС формують тематичний шар даних, або оверлей (overlay – покриття, тема). Саме з цього терміна й походить форма подання даних у ГІС – шарове або пошарове. Комбінуючи тематичні шари та їх послідовність, можна отримувати тематичні карти та здобувати нові знання.

Дані – це найважливіша компонента ГІС. Дані про просторові розташування об’єктів та їх атрибути можуть збиратися як самим користувачем, так і отримуватись у постачальників на комерційній або іншій основі. Велика кількість просторових даних є безкоштовною або умовнобезкоштовною.

ГІС одночасно є засобом управління та створення даних. Створення ГІС часто починається саме з накопичення даних, тобто з інформаційного забезпечення.

Апаратне забезпечення – це комп’ютер, на якому інстальована ГІС, а також набір периферійних пристроїв, що забезпечують уведення і виведення інформації. ГІС можуть працювати на різних типах апаратних комп’ютерних платформ від централізованих серверів до окремих персональних або пов’язаних мережею настільних комп’ютерів.

Найбільш часто використовуються такі зовнішні пристрої: дігітайзери, сканери, принтери, плотери.

Ефективна робота сучасних ГІС можлива тільки на підставі потужної технічної комп’ютерної підтримки. Апаратні засоби ГІС спільно з технічними засобами позиціонування (електронними геодезичними станціями, приймачами супутникових систем позиціонування), засобами дистанційного зондування Землі інтегруються в технічні комплекси, які дозволяють ефективно отримувати й обробляти геопросторову інформацію.

Програмне забезпечення – це сукупність взаємопов’язаних програмних модулів, які забезпечують виконання основних функцій ГІС (можливість уведення, збереження, обробки та аналізу даних, їх візуалізації, надання підтримки прийняття рішень), а також безпосереднє керування ГІС у цілому (рис. 1.12).

49

Ключовими компонентами програмного забезпечення є:

–система введення й обробки просторової інформації;

–система керування базами даних;

–системи підтримки просторових запитів, аналізу та візуалізації (відображення);

–графічний інтерфейс користувача для легкого доступу до інструментів і функцій ГІС;

–вбудоване середовище для створення додаткового програмного забезпечення.

Рис. 1.12. Функції ГІС

Програмною оболонкою ГІС називають частину прикладного програмного забезпечення, яка реалізує функції ГІС.

Графічні редактори і СКБД з позицій програмного конструювання є оболонками над даними. Оболонка графічного редактора надає користувачу інструменти графічного редагування та візуалізації об’єктів растрової, векторної або гібридної графіки. Оболонка СКБД дозволяє прикладним програмам звертатися до даних за допомогою SQL-запитів, створюючи ілюзію їх упорядкування у вигляді таблиць. Файлова структура для збереження даних повністю прихована для користувача. Концепція оболонки дає можливість "боротись"зі зростаючою складністю програмних систем [95].

У складні об’єктно-орієнтовані програмні комплекси ГІС, наприклад, ArcInfo, InterGraph, AutoCad Map входять засоби розробки прикладних програмних оболонок, призначенням яких є приховування деталей реалізації процедур відбору картографічних даних і їх візуалізації.

За оцінками фахівців у галузі інформатики [15], тривалість життя (зміни поколінь) основних компонент інформаційної системи варіюється

вмежах:

•апаратного забезпечення – до 5 років;

•програмного забезпечення – до 15 років;

•даних – до 70 (і більше) років;

•користувачів (людей) – до 50 років.

50