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

Рис. 2.19. Вільям Уарнц, 1967 р.

Під його керівництвом у 70-х рр. ХХ ст. був створений пакет прикладних програм POLYVRT, що об’єднав різні способи формування ареалів, які використовувались у попередніх розробках: SYMAP (кожний полігон окремо, внутрішні границі двічі), CALFORM (таблиця положень точок) і списки ідентифікаторів DIME. Пакет POLYVRT був пакетом програм для машинного картографування, який забезпечував гнучке введення і міжсистемний обмін файлами границь, а також збільшення кількості цифрових даних, наприклад, із Бюро переписів.

Вершиною творчого пошуку розробників із Гарвардської лабораторії став пакет ODYSSEY (середина 70-х рр. ХХ ст.), у якому ідея POLYVRT була розширена від перетворення форматів до створення комплексного аналітичного пакета, що ґрунтувався на векторних даних. Необхідно відзначити, що багато розробників майбутніх ГІС "виросли" саме в Гарвардській лабораторії. Лабораторія стала колискою багатьох ідей і дала світу багато відомих фігур геоінформаційної індустрії, які суттєво вплинули на розвиток геоінформатики. Як приклад, можна згадати Скотта Морхауса (рис. 2.20), перехід якого в ESRI став сполучною ланкою між ODYSSEY і розробкою ARC / INFO.

Рис. 2.20. Скотт Мархаус

81

Третім великим успіхом становлення геоінформатики та ГІС стало Бюро перепису США (U.S. Census Bureau) – одна з організацій, яка відіграла ключову роль у розвитку ГІС.

Наприкінці 60-х рр. ХХ ст. у державних структурах США сформувалося переконання необхідності використання ГІТ для обробки й подання даних національних переписів населення (US Census Data). Для цього потрібна була методика, яка б забезпечувала коректну географічну "при- в’язку" даних перепису. Основною проблемою стала необхідність конвертування адрес проживання населення, в анкетах перепису в географічні координати таким чином, щоб результати перепису можна було б оформлювати у вигляді карт територіальних ділянок і зон національного перепису.

Бюро розробило формат GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding). Історія GBF-DIME почалася у лютому 1967 р.,

коли Бюро перепису США зайнялось експериментами з комп’ютерного картографування. Програмісти Бюро боролися з неефективністю і надлишковістю інформації при конвертуванні паперових карт у цифрові. Проблема полягала в тому, що кожне перетинання вулиць (а в містах США часто зустрічається решітчаста система, коли вулиці утворюють сітку з вулиць (street) та авеню (avenue)), вводилось рівно вісім разів.

За словами Дональда Кука (рис. 2.21), який на той час був програмістом Бюро, проблема була подолана завдяки принципам картографічної топології, запропонованої математиком Бюро – Джеймсом Корбеттом

(James Corbett).

Рис. 2.21. Дональд Кук

(Donald Cooke)

У цьому форматі GBF-DIME (рис. 2.22) вперше була реалізована схема визначення просторових відношень між об’єктами, що називається топологією й описує: як лінійні об’єкти на карті з’єднуються між собою,

82

які площинні об’єкти межують один з одним, а які об’єкти складаються із суміжних елементів.

Рис. 2.22. Формат GBF-DIME

Саме тут вперше були пронумеровані вузлові точки, присвоєні ідентифікатори площам за різними боками ліній. Це стало революційним нововведенням у ГІС.

Таким чином, була створена схема кодування DIME, для якої були визначені прямокутні координати перехресть, що поділяли вулиці всіх населених пунктів США на окремі сегменти.

Основна ідея полягала в тому, щоб перенумерувати вузли (в даному випадку – перетинання вулиць і площ (кварталів)). Влітку 1967 р. нововведення довели свою ефективність на практиці – різко підвищилася ефективність цифрування й виявлення похибок і з’явилася основа для картографування результатів перепису.

Події розвивались стрімко. Через три місяці після початку перших спроб з топології, Д. Кук і Максфілд (Maxfield) виступили на конференції з доповіддю, а Національне бюро переписів США розробило комплексний підхід до "географії переписів". 1970 рік – рік чергового Національного перепису США, який проводиться раз на десять років, – уперше став роком "географічно локалізованого перепису". Алгоритми обробки й подання картографічних даних були запозичені в розробників ГІС Канади і Гарвардської лабораторії та оформлені у вигляді програми POLYVRT (рис. 2.23), яка здійснювала конвертування адрес проживання у відповідні координати, що описували графічні сегменти вулиць.

83

Рис. 2.23. Модель POLYVRT

По сутті, файли DIME дублювали дугову структуру ГІС Канади та внутрішню структуру POLYVRT (формат загального знаменника).

Файли DIME широко використовувалися і стали основою для розв’язку різних прикладних задач. Топологічні ідеї DIME згодом були удосконалені при створенні нової моделі файлів – TIGER (рис. 2.24), у якій використовувалася планарна організація даних11 із комірками 0-го, 1-го і 2-го порядків.

Рис. 2.24. Модель TIGER

11Планарний граф – граф, який може бути зображений на площині без перетину ребер.

84

Моделі DIME і TIGER сприяли розробці цілого ряду програмних продуктів, заснованих на базах даних про вуличну мережу, а саме:

•системи автомобільного руху;

•посібників дляводіїв (наприклад, в агентствах з прокату автомобілів);

•прокладці маршрутів руху сміттєвозів;

•диспетчеризації машин аварійних служб.

Після перепису 1970 р. стали створюватися атласи міст, засновані на застосуванні цифрових файлів границь, розроблених у Бюро переписів США. Особливу популярність набули атласи машинних карт за окремими позиціями перепису для деяких міст. Це послужило наочною ілюстрацією значення нескладних машинних карт для цілей маркетингу, роздрібної торгівлі та стимулювало розробку всього набору сучасних програм статистичного картографування для комп’ютерів. Одночасно на основі цієї інформації була створена серія атласів великих міст, а також велика кількість спрощених комп’ютерних карт для автомобілістів. Як приклад, на рис. 2.25 наведені фрагменти комп’ютерних карт і атласів.

Рис. 2.25. Комп’ютерні карти й атласи

Протягом 70-х рр. ХХ ст. карти у форматі GBF-DIME були створені для всіх міст США. Цю технологію і сьогодні використовує більшість сучасних ГІС. На думку фахівців, відкриття з топології було визнано так швидко ще й тому, що автори зробили доповідь у потрібний час і в потрібному місці.

85

У цей же період у багатьох штатах почалися розробки земельних ГІС, що було пов’язано зі споконвічним прагненням американців збирати податки. Взагалі, саме податки, а точніше, небажання одних їх сплачувати і мрія інших збирати їх якомога більше, відіграли (і відіграють) важливу роль в історії США. ГІС не залишились осторонь від цієї проблеми.

Більшість з них були схожими одна на одну, тільки ГІС штату Міннесота відрізнялася певними особливостями. Однак головне полягало в тому, що вперше справу створення системи було доведено до логічного кінця і система засвідчила свою ефективність. Система була растровою (рис. 2.26), з крупним зерном растру (трохи більше 0,16 км2), однак виявилася дуже ефективною.

Земельна інформаційна система (ЗІС) вищезгаданого штату почала розроблятись у середині 60-х рр. ХХ ст. як спільний проект Центру міських і регіональних проблем штату Міннесота, Університету штату Міннесота та Агентства планування цього ж штату.

Рис. 2.26. ЗІС штату Міннесота

Четвертим суттєвим успіхом геоінформатики і ГІС стали застосування нерегулярної тріангуляційної мережі у військових дослідженнях.

Нерегулярна тріангуляційна мережа відображає рельєф певної території у вигляді набору прилеглих один до одного трикутників. Ця технологія була одночасно запропонована декількома дослідниками у різних частинах світу. Один з них – Томас Пюкер (рис. 2.27) – доволі відома фігура в географічних колах СНД.

86

Рис. 2.27. Томас Пюкер (Thomas Poiker)

Його статтю "Вплив різних математичних підходів на зображення рельєфу дна океанів" можна прочитати в третьому томі книги "Картографія", що була опублікована у 1988 р. видавництвом "Прогрес" (Москва).

Цифрові моделі рельєфу у вигляді нерегулярної тріангуляційної мережі будувалися в Simon Fraser University, який виконував замовлення відділу військово-морських досліджень US Defense Department. Основне завдання проекту – розв’язок проблеми збігу реального гіпсометричного профілю визначеної території (профілю висот) з моделлю, закладеною в комп’ютер, тобто це була задача точного наведення ракет на ціль.

Крім названих, відомі ще такі винахідники нерегулярної тріангуляційної мережі: консультаційна фірма з Огайо W. E. Gates and Associates, геолог Крістофер Голд і Університет провінції Альберта (Канада). Ще один винахідник знаходився в Європі, однак історія не зберегла для нас його ім’я. При цьому, палкі дискусії про те, чи незалежно всі вони проводили свої дослідження, чи займались плагіатом один одного, не втихають і нині. Але це вже інша історія...

У цей же період також удосконалювалися методи аналізу просторових даних і технологій їх кодування і візуалізації. Зокрема були розроблені теоретичні основи геостатистики (Ж. Матерон, рис. 2.28), технології графічного зображення тривимірних поверхонь [83].

Одночасно аналогічні роботи проводились і в інших наукових центрах Північної Америки та Західної Європи. Як уже згадувалось, у лабораторії Дана Томліна заклали основи картографічної алгебри (1983 р.), створивши відому родину растрових програмних засобів MAP (Map Analysis Package) – MAP, PMAP, aMAP. Характерно, що ці пакети розповсюджував Йєльський університет за символічною ціною (приблизно за 20 дол. США). Одним із похідних програмних продуктів, що вільно поширювались у

87

мережі Інтернет, був OSU-MAP, створений в Університеті штату Огайо вихідцями з Гарвардської лабораторії.

Рис. 2.28. Засновник геостатистики, професор Жорж Матерон, Франція

В Європі перша автоматизована картографічна система була створена у Великій Британії під керівництвом Д. Бікмора в 1964 р. [22]. У Франції наприкінці 60-х рр. ХХ ст. була створена кадастрова інформаційна система "Majic".

УЄвропі перші ГІС були створені в Швеції. Методичні основи цих розробок були закладені в працях О. Саломонссона і Т. Германсена у 1976 р. Основним напрямом шведської школи геоінформатики було створення ГІС земельно-облікової спеціалізації, зокрема Шведського земельного банку даних, автоматизація обліку земельних ділянок і нерухомості.

До середини 1970-х рр. у Швеції на стадіях розробки й експлуатації перебували 12 інформаційних систем різного рівня [Computer cartography…, 1977]. Перевагою цих робіт стала участь у них науково-дослідних колективів, у тому числі професійних географів (Університет Лунда), що дозволило закласти в розробки фундаментальні принципи ГІС, зокрема ознаку простору (атрибути місця розташування об’єктів). У цих розробках вперше був широко використаний топологічний підхід до організації управління географічною інформацією, яка містить математичний спосіб опису просторових взаємозв’язків між об’єктами.

У70-х рр. ХХ ст. в колишньому СРСР географи І. П. Герасимов, Ю. Г. Саушкін, С. Б. Лавров, В. С. Преображенський підняли питання про необхідність використання географічного підходу для розв’язку задач територіального планування, раціонального використання природних ресурсів, природоохоронної діяльності.

88

У зв’язку з колосальними обсягами текстової та графічної інформації, модельних розрахунків, якісної графіки, які вимагали ГІС, гострою проблемою став дефіцит машинних ресурсів. Це стримувало широке поширення ГІС, зумовлене високою вартістю виконання, впровадження і супроводження проектів. Функціональна обмеженість ГІС "першого покоління" (відсутність чи примітивність графічної і картографічної інформації) мала й суто технічні причини: нерозвиненість периферійного обладнання (дисплей ще не став звичним атрибутом ЕОМ) на великих і потужних, але дуже коштовних ЕОМ, неможливість перенесення програмного забезпечення, критичність обчислювальних ресурсів щодо обсягу даних і часу виконання завдань. Проте, ядро ГІТ вже було сформоване на рубежі 60-х і 70-х рр. ХХ ст., визначивши структуру ГІС першого покоління.

Таким чином, характерною рисою ГІС першого покоління була тенденція до посилення міждисциплінарних зв’язків у середовищі розробників. Однак ці первісні ініціативні проекти та дослідження, географічно розподілені по багатьох наукових центрах, виконувалися на базі потужних, але дуже коштовних ЕОМ, внаслідок чого, вони були найчастіше системами унікальними, з обмеженим колом користувачів. Роботи в цих центрах здійснювалися, як правило, незалежно, часто без згадування і навіть з ігноруванням подібних досліджень. Можливості ГІС "першого покоління" мали дуже обмежені можливості через нерозвиненість технічних засобів (апаратного забезпечення). Дисплей як засіб візуалізації інформації для оператора комп’ютера, став активно застосовуватися лише у середині 1970-х рр. Надзвичайно слабко були розвинені необхідні периферійні пристрої (сканери, принтери, плотери тощо).

ІІ етап (80-ті рр. ХХ ст., комерційний період). У другій половині

70-х років – на початку 80-х рр. ХХ ст. уряди багатьох країн, приватні фірми, зокрема США і Західної Європи, побачили перспективу використання ГІС і почали інвестувати в розробку цих технологій значні кошти. Крім того, розробка та широке поширення відносно недорогих персональних комп’ютерів із графічним дисплеєм дозволили відмовитись від "пакетного" режиму обробки даних.

На цьому етапі спостерігається бурхливий розвиток великих геоінформаційних проектів, створюються сотні комп’ютерних програм і систем. Це сприяло децентралізації досліджень у галузі ГІТ та інтеграції міждисциплінарних досліджень. Характерним є зростання наукової, політичної та комерційної зацікавленості до ГІС, що було зумовлено усвідомленням необхідності створення державних інтегрованих ГІС для вирішення задач управління територіями, природними ресурсами, моніторингом навколишнього середовища. Як приклад на рис. 2.29 а представленні атлас населення Франції, а на рис. 2.29 б – атлас населення та помешкань Австралії.

89

Рис. 2.29. Атласи: а – населення Франції (Population francaise, 1980);

б – населення і помешкань Австралії (Atlas population and housing, 1981 census)

На рис. 2.30 представлений комплексний соціально-економічний атлас Швейцарії, а на рис. 2.31 – атлас природного середовища о. ЛордХау, Ісландія.

Рис. 2.30. Комплексний соціально-економічний атлас Швейцарії

(Structuratlas Schweiz, 1985)

Рис. 2.31. Атлас природного середовища о. Лорд-Хау, Ісландія

(Lord Howe Island: Regional environmental study, 1985)

90