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

Отже, при вивченні ГІС не має гострої необхідності детально зупинятися на апаратному забезпеченні або на підсистемі виведення інформації, хоча саме для підсистеми важливим елементом є подання картографічних даних як вихідного або проміжного продуктуГІС.

Кадрове забезпечення ГІС складають як кваліфіковані технічні фахівці, які розробляють і підтримують системи, створюють і керують даними, так і безпосередньо користувачі, які використовують їх у повсякденній роботі. Від кадрового забезпечення залежить ефективність ГІС.

Обов’язковою умовою реалізації ГІС є наявність креативних користувачів, які мають відповідну фахову підготовку для дослідження земного простору, роботи з геоданими, вміють працювати в середовищі геоінформаційних додатків, створювати та підтримувати їх у робочому стані, мають певні знання з предметної сфери застосувань ГІС.

Для створення ГІС потрібні розробники, а для функціонування – користувачі, причому кількість останніх складає більшість.

Важливою вимогою є вміння приймати правильні рішення за результатами аналізу даних. Результат застосування ГІС багато в чому залежить від вміння і досвіду персоналу, задіяного в даному проекті.

Функціональне забезпечення – методологічний апарат, закладений у ГІС. Сучасні ГІС включають засоби розробки, які дозволяють нарощувати функціональність і перетворювати універсальні ГІС у спеціалізовані системи для конкретних галузей, сфер знання, робочих колективів.

Функціональне забезпечення ГІС потребує використання низки стандартів. Стандарти встановлюють, як дані визначаються, зберігаються й переміщуються між системами та додатками.

1.10. Відмінність ГІС від інших інформаційних систем

Характерною особливістю ГІС є наявність картографічної основи – цифрових карт, планів і схем, графічні об’єкти яких пов’язані посиланнями з елементами даних зовнішніх інформаційних джерел (просторові дані інших ГІС, атрибутивні дані серверів баз даних, бази знань, тексти і гіпертексти, звукові та відеофайли, анімація, фотореалістичні зображення і будь-які структуровані документи.

Раніше було визначено, що ГІС виконує функції введення, інтегрування, збереження, обробки, аналізу, моделювання та візуалізації географічної (просторової) інформації, поєднує традиційні операції при роботі з базами даних – запит і статистичний аналіз – з перевагами повноцінної візуалізації та просторового аналізу, які надає карта. Ця особливість дає унікальні можливості для застосування ГІС у розв’язку широкого спектра задач, пов’язаних з аналізом явищ і подій, прогнозуванням їх ймовірних наслідків, плануванні стратегічних рішень.

51

52

Комплексність (системність) ГІС – це комплекс програмного,

апаратного, інформаційного забезпечення, який керується підготовленим певним чином фаховим персоналом.

Просторовість. ГІС у своєму арсеналі мають інструментарій, який працює з будь-якими даними, розподіленими в просторі, що мають свою систему координат, починаючи від колоній мікроорганізмів і закінчуючи планетою Земля. ГІС також дозволяють здійснювати операції з даними, які не мають просторової прив’язки, але основна функціональність ГІС орієнтована саме на роботу з просторовими даними.

Зв’язаність – наявність тісного взаємозв’язку між просторовою й атрибутивною інформаціями.

У рамках ГІС вперше ці два типи інформації були тісно поєднані, а це, у свою чергу, багато в чому визначило появу ГІС у вигляді окремої галузі програмного забезпечення. Саме тому ГІС називають системою управління базами даних (СКБД) і з можливістю створення карт або системою цифрової картографії з розширеною підтримкою баз даних.

Інтеграція. ГІС відрізняються від інших ІС саме тим, що вони володіють ефективними можливостями інтегрування різнопланової просторової інформації, що пов’язана з реальним земним простором. Це означає, що будь-які дані можуть бути інтегровані до однієї системи, якщо ці дані мають або можуть мати просторову прив’язку в реальному земному просторі.

Наприклад, муніципальна ГІС інтегрує інформацію про містобудування, населення, землекористування, житловий і нежитловий фонди, міські інженерні системи водопостачання, водовідведення, теплопостачання, газопостачання, електропостачання, транспортну інфраструктуру, про екологічну обстановку, правопорушення тощо. Це дає можливість керувати, наприклад, підсистемами міста комплексно (системно), визначати вплив одних факторів на інші.

Загалом інтегровані просторові дані надають можливість:

–реалізувати комплексний (системний) підхід при аналізі сутностей реального світу;

–визначати вплив, залежності, зв’язки одних об’єктів і явищ реального світу на інші;

–виробляти пропозиції для прийняття ефективних управлінських

рішень;

–забезпечувати цілісність і несуперечність усієї інформації в системі;

–уникати дублювання введення даних;

–вдосконалювати інформаційну взаємодію;

–підвищувати якість і оперативність роботи підсистем.

53

Таким чином, інтегрування багатьох факторів є ключовим методом ГІС. Чим більше інформації зберігається в системі, тим ефективніше ця система працює. Причому ці можливості зростають не пропорційно, а за експоненціальним законом.

ГІС інтегрують не тільки дані але й передові інформаційні технології: технології автоматизованої картографії; технології баз даних; технології цифрової обробки результатів позиціонування та дистанційного зондування Землі (ДЗЗ); технології геоінформаційних web-сервісів у відкритих середовищах Інтернет та багато інших технологій, які не тільки розширюють можливості ГІС, але й визначають майбутню стратегію розвитку ГІС у зв’язку з інтеграцією та розвитком передових інформаційних технологій.

Ключові переваги ГІС представлені на рис. 1.16.

ГІС – це система, яка інтегрує знання. Проблеми розробки, функціонування і використання ГІС перебувають на стику трьох галузей наукових знань: комп’ютерні науки, науки про Землю і земний простір, галузі геоінформаційних додатків (рис. 1.17).

Ключові переваги ГІС

Зручне для користувача відображення просторових даних

Картографування просторових даних, у тому числі в тривимірному форматі, є надзвичайно зручним для сприйняття, що спрощує

побудову запитів і їх наступний аналіз.

Прийняття обґрунтованих рішень

Автоматизація процесу аналізу та побудови звітів про будь-які явища, пов’язані з просторовими даними, допомагає підвищити ефективність процедури прийняття рішень

Інтеграція даних усередині організації

ГІС поєднують дані, накопичені в різних підрозділах компанії або навіть у різних сферах діяльності організацій цілого регіону

Зручний засіб для створення картографічних зображень

ГІС оптимізують процес дешифрування даних космічних і аерознімань і використовують попередньо створені плани місцевості, схеми, креслення, суттєво заощаджують часові ресурси, автоматизуючи процес роботи з картами, дозволяють створювати

тривимірні моделі місцевості.

Рис. 1.16. Ключові переваги ГІС

54

Рис. 1.17. Взаємозв’язок ГІС з науками про Землю та комп’ютерними науками [55]

Виходячи з такої концепції розуміння ГІС, можна стверджувати, що:

•відсутність у цій сукупності будь-якої галузі наукових знань не дозволяє створити сучасну ГІС у загальноприйнятому значенні;

•креативні користувачі ГІС повинні володіти знаннями із зазначених галузей.

Базові галузі наукових знань наведені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Аналіз. ГІС відрізняються від інших ІС тим, що володіють ефективними можливостями аналізу просторових даних і на його основі можуть виконувати просторове моделювання об’єктів, процесів та явищ. Сучасні ГІС володіють потужним інструментарієм для просторового аналізу. Саме тому просторовий аналіз називають "серцем" ГІС [15].

ГІС дозволяють зберігати величезні об’єми різноманітних даних у розподілених базах даних, узагальнювати й аналізувати інформацію набагато швидше, ніж будь-які інші традиційні методи досліджень.

Аналітичні можливості ГІС дозволяють отримувати відповіді на безліч просторових запитів, вирішувати величезну кількість просторових задач у різних предметних галузях. Усе розмаїття задач просторового аналізу можна умовно поділити на 5 узагальнених категорій:

1)Аналіз місця розташування. Цій категорії відповідає просторовий запит: що існує в конкретному місці на поверхні Землі?

Щоб побачити, де розташований і як виглядає об’єкт, що цікавить користувача ГІС, для цього використовуються карти. На карті наочно представлений характер просторового розподілу об’єктів, а це дозволяє виявити зв’язки між ними та краще зрозуміти область дослідження. Тільки побачивши місця розташування об’єктів, можна зрозуміти причини просторових взаємозв’язків.

Для того, щоб проаналізувати закономірності розподілу даних, потрібно певним чином відобразити досліджувані об’єкти, ґрунтуючись на значеннях їх характеристик. Наприклад, еколог може оцінити вплив особливостей рельєфу або інших чинників на просторовий розподіл рослинних співтовариств, використовуючи картографічні дані, архітектор може спланувати розміщення певного об’єкта у відповідності з генеральним планом населеного пункту (планом існуючої забудови і планом інженерної інфраструктури) аналітик райвідділу міліції, створивши карту розподілу злочинів різного типу, спроможний виявити рецидиви в окремих районах.

2)Задоволення просторових умов. Цій категорії просторового аналізу відповідає запит: Де задовольняються конкретні просторові умови?

Найпростіший запит про місце розташування об’єкта складається за однією умовою. Для отримання відповіді достатньо виконати одну штатну операцію.

Більш складний запит про місце розташування об’єкта може включати певний набір умов. Для отримання відповіді вже потребується використання низки операцій просторового аналізу. Наприклад, де знаходиться майданчик для будівництва площею 2 га в межах до 200 м від міста Києва

зґрунтами несучої здатності до 1 кг/см2; обґрунтувати місце розташування торгового, навчального закладу або бізнес-центру з урахуванням багатьох,

56

у тому числі просторових чинників, або знайти оптимальну трасу трубопроводу або шляхопроводу, що планується побудувати поруч із населеним пунктом.

3)Часовий аналіз. Цій категорії відповідає запит: які зміни відбулися на певній території за зазначений період? Відповідь на це питання представляє собою спробу визначити зміни, що відбулись у просторі й у часі, тенденції цих змін на певній території. Наприклад, яка тенденція поширення грипу в регіоні, які нові об’єкти побудовані за останній рік, наскільки

іяке збільшення урбанізованих територій відбулося? Зберігаючи і порівнюючи карти, отримані в різні періоди, ГІС дозволяє виявити динаміку змін, тобто провести часовий аналіз.

4)Виявлення структури. Цій категорії відповідає просторовий запит: які просторові структури або розподіли існують? Наприклад, скільки є аномалій, які не відповідають нормальному розподілові, та де вони знаходяться; який розподіл населення в населеному пункті; які ділянки дороги є найбільш небезпечними; який розподіл вартості нерухомості на території міста; який розподіл вартості землі в регіоні?

Виділення просторових структур – це складне питання, що потребує застосування арсеналу потужних засобів просторового аналізу.

5)Оцінка різноманітних сценаріїв. Сценарій є результатом питань типу: "Що відбудеться, якщо...?" Наприклад, що відбудеться, якщо інтенсивність танення сніжного покриву стане критичною; які витрати необхідно понести для розширення автомагістралі на 3 м; як зміниться якість транспортного обслуговування віддаленого мікрорайону, якщо скоротити кількість автобусних маршрутів з ринку "Троєщина" і додати таку ж кількість тролейбусів? У таких і аналогічних випадках користувач використовує модель для прогнозування та карти потенційного впливу. Застосування такої моделі дозволяє побудувати гіпотетичну ситуацію та прогнозувати розвиток і наслідки соціологічних та економічних ситуацій, стихійних лих і аварій природно-техногенного характеру в просторі та часі.

Останнім часом спостерігається помітне зростання ролі аналітичних і моделюючих функцій ГІС. Наприклад, система ArcGIS 10.1 (ЕSRI) вклю-

чає доступні для освоєння модулі Spatial Analyst, 3D Analyst, Network Analyst, Geostatistical Analyst.

Візуалізація. Сучасні ГІС володіють потужним інструментарієм для візуалізації інформації. Тематична інформація в ГІС відображається за допомогою картографічних образів, діаграм, графіків, оформлених багатим арсеналом образотворчих засобів, адаптованих для зручного сприйняття інформації.

Об’єкти карти можуть бути відображені або надруковані в будь-якій комбінації і фактично у будь-якому масштабі карти, роблячи цифрові картографічні дані більш гнучкими, порівняно з традиційними паперовими картами.

57

Більшість людей ефективніше мислять і приймають рішення, якщо їх проблема представлена у формі картин, креслень, діаграм, ілюстрацій. За допомогою нюху, дотику і слуху людина отримує лише 30 % загальної інформації про світ, а 60 % (вдумайтеся, вдвічі більше!) людина сприймає через зір. Саме тому в народі кажуть: "Краще один раз побачити, ніж сто разів почути".

Властивості ока людини дозволяють миттєво оцінювати видиму ситуацію в цілому. Якщо уявити роботу авіадиспетчера, який отримує інформацію про перебування у зоні відповідальності десятків літаків (рис. 1.18), то зрозуміло, що аналіз цього стану та прийняття відповідних рішень через візуалізацію на екрані монітора відбувається значно ефективніше, ніж у випадку опрацьовування цієї інформації на слух.

Рис. 1.18. Візуалізація перебування літаків у зоні відповідальності диспетчера

ГІС дозволяють реалізовувати безліч запитів і надавати відповіді зрозумілою користувачам з дитинства мовою карт.

ГІС – це засіб, який допомагає підвищити якість рішень, що приймаються, на основі ефективного подання результатів обробки й аналізу просторових даних.

Ці можливості роблять ГІС надзвичайно корисною системою для широкого кола людей і організацій, для планування стратегії та управління інфраструктурою.

Крім того, до відмінностей ГІС відінших ІСможнавіднести те, що це:

–людино-програмно-машинний комплекс із прийому, обробки, збереження, аналізу та передачі будь-якої просторово-розподіленої інформації;

–можливість оперативного реагування на будь-яку ситуацію, яка виникла на будь-якій території, з отриманням за нею всієї необхідної картографічної і тематичної інформації;

58

–можливість накладання різноманітної тематичної інформації на той самий просторовий контур й отримання нової інформації про територію;

–аналітичне, картометричне дослідження й аналіз з одночасною побудовою будь-яких карт, планів і схем;

–моделювання тих чи інших процесів, явищ і вивчення змін їхнього стану в часі;

–візуалізація просторової інформації й можливість її подання в динамічному режимі;

–управління ресурсами та територіями;

–швидкість, якість і точність;

–поєднання науки, технології та бізнесу;

–новий світогляд і нове мислення, побудовані на просторовій ідеології.

ГІС не є електронною копією паперових карт, оскільки мають незрівнянно більші можливості розміщення, відображення й обробки інформації про територію і її об’єкти. ГІС відрізняються від графічних систем типу Corel Draw або Photoshop організацією просторових даних на точній географічній основі, топологією, проекціями і системою координат, а також наявністю системи управління базами даних (СКБД).

ГІС відрізняються від стандартних СКБД можливістю систематизації і зіставлення даних, а також організації запитів на просторовій основі.

Прабатьками ГІС вважаються наведені нижче ІС, які набули широкого застосування у різних галузях науки і техніки.

1.11. Джерела виникнення ГІС

Розвиток ГІС у їх сучасному розумінні зумовлений бурхливим розвитком інформаційних технологій, передусім систем автоматизованого проектування, автоматизованих картографічних систем, систем управління мережами, систем керування базами даних та апаратної бази.

1.11.1. Системи автоматизованого проектування

Система автоматизованого проектування (САПР) – комплекс

апаратних і програмних засобів проектування об’єктів або їх інформаційне моделювання з використанням засобів інтерактивної графіки.

САПР включає такі технології:

•CAD (англ. Computer-aided design) – технологія автоматизованого проектування;

•CAM (англ. Computer-aided manufacturing) – технологія автомати-

зованого виробництва;

59

•CAE (англ. Computer-aided engineering) – технологія автоматизова-

ної розробки;

•CALS (англ. Continuous Acquisition and Life cycle Support) –

постійна інформаційна підтримка поставок і життєвого циклу.

Значна кількість САПР для ПК дозволяє їх застосовувати в різних галузях. Наприклад, розроблені такі системи, як DataCAD, AutoCAD, CAD-KEY-3, DesignCAD 3D, Anvil 1000, MaxiCAD, Mega Model, MicroStation JRC, CAD-One, ModelMate Plus, VersaCAD DESIGN тощо.

Основне призначення САПР – отримання оптимальних проектних рішень із використанням засобів машинної графіки – відповідає вимогам ГІС на рівні моделювання, збереження (формування цифрової моделі місцевості) та проектування карт на основі вже зібраної, уніфікованої інформації. В процесі традиційного проектування передача інформації відбувається за допомогою креслень, графіків і діаграм.

Застосування САПР має істотні переваги порівняно з традиційним кресленням, що обумовлено:

– значною швидкістю виконання креслень;

– підвищенням точності виконання креслень за рахунок більш детального перегляду будь-якого елемента креслення в довільному масштабі;

– покращанням якості креслень за рахунок швидкого внесення правки без погіршення якості кінцевого продукту;

– можливістю багаторазового копіювання, оскільки будь-яке креслення чи його частина можуть бути збережені і, за необхідності, повторно використані.

Первісно САПР використовувались як двомірні системи, які забезпечували тільки автоматизацію випуску конструкторської документації. Подальша еволюція систем пов’язана з уведенням тривимірних моделей об’єктів і операцій над ними.

Позитивним у САПР є те, що вони підтримують великий арсенал пристроїв уведення-виведення, дозволяють працювати з різноманітними тематичними шарами інформації, але не завжди спроможні забезпечити роботу з просторовою інформацією, зокрема з картою. Головною причиною є використання в САПР декартової системи координат для опису елементів креслень і маніпуляція тільки з геометричними примітивами: колами, еліпсами, циліндрами, кубами, а не з реальними об’єктами.

Ще однією причиною недостатньої придатності САПР для розв’язку завдань, що стоять перед ГІС, є обмежена можливість роботи з тематичними даними в описі об’єктів. Без цієї частини вирішення завдань аналізу практично неможливе. В САПР застосовуються тільки цифрові моделі об’єкта з високим ступенем типізації інформації. В ГІС цифрове моделювання значно складніше, а клас цифрових моделей включає більшу кількість типів, на відміну від САПР. Але останнім часом з’явилися такі САПР,

60