Общая характеристика ГИС как класса автоматизированных информационных систем. Определение и составные части геоинформатики. Основные компоненты геоинформационной системы. Сферы применения и классификация ГИС.
В наиболее общем представлении ГИС - это интегрированная информационная система, предназначенная для сбора, обработки, анализа, хранения, отображения и распространения данных, основой интеграции которых служит географически позиционированная информация.
Географическими позиционированными (или просто географическими) называются данные, которые напрямую или опосредованно привязаны к какой-то территории на поверхности Земли. В условиях интенсивного развития систем коммуникаций и интеграции мировой экономики более 80-ти процентов всей информации, ежедневно используемой в коммерческой деятельности и государственном управлении, может быть прямо отнесено к географическим данным. К географической информации, которой регулярно пользуется каждый современный человек, относятся адреса, карты городов с указанием торговых точек, административных и промышленных объектов, культурных центров и т.п., транспортные и туристические схемы, карты автодорог и другие. Не удивительно, что сфера применения ГИС непрерывно расширяется. В частности, на сегодняшний день в Российской Федерации число фирм, занимающихся созданием и распространением ГИС-технологий и ГИС-продукции, уступает только количеству фирм в сфере торговли.
Технологии создания карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Комплексный оверлейный анализ карт применялся, например, в военном деле, начиная с середины XVIII столетия. Однако технология ГИС предоставляет новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и наглядный подход к анализу и решению задач, стоящих перед человечеством в целом и конкретной организацией или группой людей в частности. До начала применения ГИС лишь немногие обладали искусством обобщения и полноценного целенаправленного анализа географической информации. В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни тысяч людей во всем мире.
ГИС - это возможность нового взгляда на окружающий нас мир, современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запросы, статистический анализ и численное моделирование, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. В том числе и моделирование глобальных динамических процессов средствами мультимедийных технологий. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают ее применение в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением их главных факторов и причин, а также возможных последствий. ГИС-технологии применяют практически во всех сферах человеческой деятельности, начиная с таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, и кончая частными задачами, такими как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу.
Обобщая сказанное, можно заключить, что современная ГИС – это автоматизированная система, характеризующаяся большим количеством графических и тематических баз данных, соединенных с модельными и расчетными функциями для манипулирования данными и выполнения разнообразных преобразований с целью решения задач анализа, контроля и управления.
Следствием интенсивного развития и широкого распространения геоинформационных систем и технологий стало формирование нового направления в сфере компьютерных дисциплин – геоинформатики.
Согласно определению, данному Российской ГИС-ассоциацией, геоинформатика объединяет научно-методологическую, технологическую и производственную деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию геоинформационных систем, по разработке геоинформационных технологий, по прикладным аспектам ГИС.
Термин геоинформатика, с точки зрения его лингвистического происхождения, можно интерпретировать по-разному. Наиболее удачным представляется разбиение этого понятия на две составляющие: гео обозначает предмет исследования, информатика – метод исследования.
В настоящее время в геоинформатике выделяют три основных направления: общая геоинформатика, специальная геоинформатика, прикладная геоинформатика.
Общая (фундаментальная) геоинформатика занимается исследованием и разработкой научных основ, концепций, обобщенным анализом ГИС и технологий безотносительно к их прикладному характеру на основе системного анализа и формализованных объективных критериев.
К прикладной геоинформатике относятся системные и технологические аспекты создания ГИС и технологий в конкретных прикладных областях.
Специальная геоинформатика включает вспомогательные аспекты обработки и качества информации в ГИС и технологиях: форматы, стандарты, защита информации.
Методологические основы геоинформатики как нового научного направления формируются на базе целого ряда фундаментальных и прикладных дисциплин.
Получение, обработка, анализ и представление данных (предмет исследования) базируются на таких научных направлениях как дистанционное зондирование, фотограмметрия, геодезия, картография и география.
Дистанционное зондирование занимается разработкой методов и средств получения информации о земной поверхности с применением аэрокосмических летательных аппаратов. Данные дистанционного зондирования служат основой для составления и обновления карт, получения оперативной информации о происходящих на земной поверхности процессах. Именно развитие этого направления послужило толчком для разработки систем и методов комплексного пространственного анализа данных компьютерными средствами.
Фотограмметрия развивалась параллельно с фототопографией – методологией топографической фотосъемки и составления на ее основе топографических карт. Аппарат фотограмметрии включает методы и средства геометрической и яркостной нормализации материалов съемок земной поверхности с летательных аппаратов для возможности их сопоставления, корректного пространственного совмещения и совместного анализа.
Геодезия обеспечивает получение данных для точного позиционирования объектов на земной поверхности. Геодезические измерения являются информационной основой всех систем навигации, а также построения высокоточных цифровых моделей рельефа (ЦМР).
Картография – методология отображения земной поверхности на карте. Она включает методологию проецирования земной поверхности на плоскость карты и отображения на карте географических объектов и их характеристик.
География, точнее, методы географического анализа, составляют основу методологии тематического анализа пространственно позиционированных данных.
Основу метода исследования, в соответствии с данным определением, составляет методология информационного моделирования.
Рис.1. Составные части геоинформатики.
Нужно сразу отметить, что среди всех типов информационных систем ГИС, по разнообразию типов данных и способов их представления, является, пожалуй, на сегодняшней день наиболее сложной информационной моделью. Способы получения этих данных и методология работы с ними, пришедшие, как было показано, из различных направлений, требуют при проектировании любой ГИС проработки вопросов их эффективной организации, внутренних взаимосвязей и компьютерных методов комплексного анализа. Методология проектирования, разработки и эксплуатации ГИС включает в себя такие дисциплины как системный и структурный анализ, теорию принятия решений, а также ряд примыкающих дисциплин – распознавание образов, математическое моделирование, теорию экспертных систем и др. Сюда же относится и ряд чисто компьютерных дисциплин – теория баз данных, компьютерная графика, программирование и т.п.
Среди всех направлений использования геоинформационных систем и технологий на сегодняшний день можно выделить следующие:
Управление. Принятие управленческих решений административными органами всех уровней, руководителями производств и отраслевых ведомств, координирование действий различных управленческих структур. В РФ это направление наиболее интенсивно развивается на предприятиях нефтегазового комплекса.
Мониторинг природных ресурсов и экологического состояния окружающей среды. Обнаружение и контроль развития чрезвычайных ситуаций. Оценка хозяйственной продуктивности ресурсов и ее динамики, изучение динамики техногенных процессов и оценка ущерба, наносимого природной среде и обществу источниками техногенного воздействия.
Земельный кадастр. Кадастр – это упорядоченная совокупность сведений о правовом, природном, хозяйственном и экономическом положении физических объектов и явлений среды во времени в структурном, организационном, функциональном и информационном аспектах. Ведение государственного земельного кадастра является в настоящий момент одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений ГИС.
Инвентаризация. Систематизированный учет природных, хозяйственных и административных объектов промышленными, коммерческими и иными структурами. В отечественной практике наиболее интенсивное применение ГИС для задач инвентаризации наблюдается в настоящее время в лесоустроительных организациях, вплоть до отдельных лесничеств и леспромхозов.
Недвижимость. Учет, управление и торговля недвижимостью. В коммерческих структурах, занимающихся торговлей недвижимостью, все большей популярностью пользуются мультимедийные ГИС-технологии, позволяющие представить клиенту товар с различных точек зрения, начиная от социально-экологических характеристик местоположения объекта и кончая видами из различных окон дома или квартиры.
Анализ и прогноз. Решение разнообразных задач глобального и локального масштаба в области экологии, геологии, экономики, социологии и других прикладных направлениях. Изучение состояния экологических, социально-экономических, природно-ресурсных условий территорий и их экономическая оценка. Это самое «старое» направление в области геоинформационного моделирования, которое, собственно, и положило начало развитию геоинформационных систем и технологий. Изначально в его основе лежали методы географического анализа, однако в настоящее время в него включается все больше задач локального (местного) и производственного характера.
Проектирование. Научно-обоснованное перспективное и оперативное планирование развития города и его отдельных территорий. Оптимальное проектирование объектов промышленного и гражданского назначения. Разработка генерального плана развития территории и контроль его реализации.
Геомаркетинг. Исследование рынка с использованием методов географического анализа природных, социально-экономических, демографических и других условий регионов. Вопросы ценообразования, купли-продажи, справочно-аналитические услуги для коммерческих структур и отдельных предпринимателей. Особой популярностью пользуются ГИС в туристических агенствах, в том числе для рекламы туров, курортов и т.п..
Навигация. Компьютерные системы пространственного анализа, связанные со спутниковыми системами глобального позиционирования. Интенсивно развивающееся в настоящее время направление, в том числе для персональных нужд отдельных пользователей. Навигационные ГИС позволяют непрерывно отображать на карте положение транспортного средства и маршрут его движения.
Логистика. Вопросы управления различными потоками (людскими транспортными, материальными и др.) Также интенсивно развивающееся в настоящее время направление, тесно связанное с геомаркетингом.
Ясно, что круг возможных потребителей геоинформации чрезвычайно широк. К наиболее заинтересованным можно отнести:
распорядительные и исполнительные власти различных уровней;
планирующие органы, научно-исследовательские и проектные институты;
строительные организации, архитектурно-планировачные и земельные службы города;
эксплуатационные службы (коммуникации, транспорт, здания и сооружения);
налоговые инспекции, инспекции и контролирующие органы социально-экономического и технического надзора, правоохранительные органы;
торговые организации, биржи;
предприятия и коммерческие структуры;
частные лица в узковедомственных и потребительских сферах.
Наиболее распространенными в настоящее время являются ГИС ресурсного типа, в экономическом понимании этого термина, где ресурсы рассматриваются как ресурсы производства, то есть совокупность природных, социальных и материальных факторов, которые могут быть использованы создания товаров, услуг и прочих ценностей. В экономических теориях ресурсы делят на 4 категории: природные, материальные, трудовые и финансовые. На современном этапе развития общества сюда включаются также и информационные ресурсы.
Работающая ГИС состоит из пяти ключевых компонент: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.
Аппаратные средства. Прежде всего, это компьютерная система, на которой установлена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров. Большая часть профессиональных ГИС ориентирована на рабочие станции и операционную систему UNIX. Это обусловлено, во-первых, большими объемами данных, во-вторых, разнотипностью этих данных и, как следствие, разнообразием технических средств их ввода и предварительной обработки. Так называемые настольные ГИС для ПК ограничены в этих возможностях и часто используют уже готовые данные в совместимых форматах, приобретаемые на коммерческой или иной основе.
Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Типичными компонентами любой геоинформационной системы как аппаратно-программного комплекса являются:
Подсистема ввода.
Подсистема управления графическими базами данных.
Подсистема управления атрибутивными (табличными) базами данных.
Подсистема визуализации.
Подсистема обработки и анализа данных.
Подсистема вывода.
Наиболее общая классификация ГИС проводится, прежде всего, по их территориальному охвату, так как с этим связаны многие аспекты проектирования. Сюда относится выбор исходных типов пространственной информации, масштабов и картографических проекций.
Картографическая проекция – это математически определенное отображение поверхности эллипсоида или шара на плоскость карты.
Напомним коротко основные виды проекций и принципы их классификации.
Классификация проекций по характеру искажений.
Равновеликие – сохраняют площади без искажений. Но в этом типе проекций на больших территориях особенно заметны искажения углов и форм (сильное сплющивание приполярных зон на карте мира).
Равноугольные – сохраняют без искажений углы и формы, но размеры искажаются очень сильно. На карте мира области приполярных зон оказываются чрезмерно большими.
Равнопромежуточные – произвольные проекции, в которых масштаб по одному из направлений постоянен и равен масштабу карты. Различают равнопромежуточные по меридианам и равнопромежуточные по параллелям.
Карта мира в равнопромежуточной проекции по степени искажения размеров и формы к приполярным областям занимает среднее положение между двумя предыдущими случаями (рис.2).
Произвольные – все остальные типы проекций. При их построении стремятся найти наиболее выгодные для каждого конкретного случая распределения искажений.
Классификация по виду нормальной картографической сетки.
Вспомогательные поверхности при переходе от эллипсоида или шара к карте - плоскость, цилиндр, конус, серия конусов и некоторые другие геометрические объекты.
Азимутальные проекции – поверхность шара переносится на касательную или секущую плоскость. Если плоскость перпендикулярна оси вращения земли – это нормальная азимутальная проекция. Соответственно, если плоскость перпендикулярна плоскости экватора – это поперечная азимутальная проекция. Другие направления – косые азимутальные проекции.
Азимутальные проекции различают по положению точки проецирования.
В центре шара – гномоническая.
На противоположном конце диаметра – стереографическая.
За пределами шара на продолжении диаметра – внешняя.
В бесконечности – ортографическая.
Цилиндрические проекции – проецирование шара на поверхность касательного или секущего цилиндра. Также различают нормальную и поперечную. Иногда используется косая цилиндрическая.
Конические проекции – поверхность шара проецируется на поверхность касательного или секущего конуса. Также различаются нормальные, поперечные и косые.
Условные проекции – для которых нельзя подобрать простых геометрических аналогов. К ним относятся псевдоцилиндрические, псевдоконические, псевдоазимутальные, поликонические, многогранные.
Псевдоцилиндрические – параллели – прямые, центральный меридиан – перпендикуляр, остальные увеличивают кривизну помере удаления от него.
П
севдоконические
- параллели – дуги концентрических
окружностей, средний меридиан – прямая,
остальные – увеличивают кривизну по
мере удаленияот него.
Поликонические – проецирование на множество конусов с разным углом в основании.
Многогранные – проецирование шара на касательный или секущий многогранник. Удобно для разбивки карты на отдельные листы. Рамка каждого листа представляет собой трапецию, образованную меридианами и параллелями. Однако сшить такие листы без разрывов невозможно.
Выбор проекций.
При выборе проекции, при известных ее особенностях (характере искажений и форме сетки), обычно учитываются следующие факторы:
географические особенности территории, ее положение на земном шаре, размеры и конфигурация;
назначение, масштаб и тематика карты, круг потребителей;
условия и способы использования карты, требования к точности измерений, если таковые будут проводиться.
Значимость каждого из этих факторов в каждом конкретном случае может быть различной. Тем нее менее, существуют некоторые предпочтительные и наиболее традиционные проекции.
Карты мира обычно составляются в цилиндрических, псевдоцилиндрических и конических проекциях. Для уменьшения искажений часто используют секущие цилиндры, а псевдоцилиндрические проекции иногда даются с разрывами на океанах. Карты полушарий всегда строят в азимутальных проекциях.
Карты материков: Европа, Азия, Северная и Южная Америка, Австралия – равновеликие косые азимутальные проекции, Африка – поперечные, Антарктида –азимутальные.
Карты России – нормальные конические равнопромежуточные проекции с секущим конусом, иногда поликонические, реже – произвольные.
Карты отдельных стран – косые равноугольные и равновеликие; для многих выбор проекции неактуален.
Морские и аэронавигационные карты всегда даются в цилиндрической проекции Меркатора, тематические карты морей и океанов – в самых разнообразных, произвольных и иногда довольно сложных.
От масштабов, в которых представляются данные, зависит степень генерализации информации и связанная с этим система условных обозначений. Ясно, что от уровня генерализации географических данных зависит содержание карты и спектр тех задач, которые могут решаться на их основе.
По территориальному охвату ГИС подразделяются на:
глобальные (планетарные) - предназначены для исследования геофизических, атмосферных, океанических, тектонических и других глобальных процессов, для демографических, экономических и коммуникационных задач планетарного масштаба; в основном задачи прогноза;
субконтинентальные – спектр задач глобального характера для отдельных регионов суши, изучение взаимосвязей между различными процессами с учетом природно-климатических и территориальных особенностей; прогноз и рекомендации по экономическому развитию различных регионов; навигационные системы;
национальные (государственные); задачи управления административного и экономического планирования и управления; инвентаризации и мониторинга природных ресурсов; государственный земельный кадастр;
региональные - управление и планирование на региональном уровне с учетом природно-климатических и экономических особенностей региона; ресурсно-экологический мониторинг; сюда можно отнести большую часть отраслевых ГИС;
субрегиональные - решение задач планирования и управления на уровне отдельных административных единиц и крупных хозяйственных предприятий; экологические задачи; мониторинг чрезвычайных ситуаций.
локальные (местные)- решение задач планирования и управления на муниципальном уровне, ГИС для отдельных предприятий и хозяйств.
Принятая в РФ классификация ГИС по территориальному охвату с конкретным диапазоном масштабов будет рассмотрена наряду с другими стандартами в соответствующем разделе прикладной геоинформатики. ГИС, обеспечивающие представление данных в диапазоне определенных масштабов, называют полимасштабными. В полимасштабных ГИС должны быть предусмотрены методы и средства генерализации (обобщения) пространственных данных.
Второй важный принцип классификации ГИС связан с функциональными возможностями конкретной программно-аппаратной среды. Здесь выделяют три основных типа систем.
1. Профессиональные. Сложные программно-технические комплексы, функционирующие на базе рабочих станций или мощных ПК. Как правило, включают большое количество средств ввода информации: дигитайзеры, сканеры, геодезические электронные устройства, GPS-приемники и др. Программное обеспечение имеет хорошо развитый интерфейс ввода-вывода, поддерживает большое количество картографических проекций и большую часть известных стандартов и форматов растровых и векторных данных. Профессиональные ГИС-пакеты включают разнообразные средства манипулирования с графической и табличной информацией, а также средства доступа к удаленных базам данных. Обеспечивают хранение больших объемов данных, высокую точность пространственных расчетов и высокое качество выходных материалов. Наиболее известным производителем таких систем является фирма INTERGRAPH, производящая как сами профессиональные рабочие станции на базе собственных процессоров, так и полный комплект соответствующего программного обеспечения. В РФ имеется всего несколько десятков организаций, использующих такие ГИС, в связи отсутствием у большинства потенциальных потребителей средств на их приобретение.
Настольные ГИС для решения научно-исследовательских задач, разработки моделей и пилотных проектов, поддержки принятия решений для локальных задач управления. Функционируют на базе ПК. Имеются сетевые решения. Иногда являются частью крупных ГИС для решения отдельных задач или выполнения отдельных функций. Ориентированы в основном на использование готовых картографических данных, поэтому как правило, имеют средства доступа к удаленным базам данных. Программное обеспечение также поддерживает большое количество картографических проекций и форматов, но имеет менее развитый интерфейс ввода-вывода и ограниченный набор средств технического манипулирования с пространственными данными. Тем не менее эти системы имеют хорошо развитую СУБД и аппарат для проведения пространственного анализа. В РФ такие ГИС наиболее распространены, так как более доступны по цене для отечественного потребителя. Основная проблема отечественной ГИС-индустрии – дороговизна цифровой пространственной информации (включая и данные ДЗ), а также сложность доступа к прецезионной картографической информации, особенно средних и крупных масштабов.
ГИС-вьюеры. Домашние и информационно-справочные системы. Предназначены для решения небольших задач на основе использования готовой пространственной информации, созданной, как правило, другими системами. В настоящее время системы типа ГИС-вьюеров наиболее распространены в WEB-технологиях.
Существуют попытки и других подходов к классификации ГИС, например по временным характеристикам: долгосрочные, среднесрочные, годовые и сезонные. Такая классификация не слишком актуальна, так как имеет отношение скорее к организационным, чем к методологическим аспектам ГИС. Попытки классификации ГИС по сферам применения также пока не слишком удачны, поскольку эти сферы непрерывно расширяются и часто перекрываются друг с другом.
Основная тенденция развития ГИС в целом нашла отражение в системах, которые специалисты характеризуют как ГИС нового поколения. К основным особенностям таких систем, кроме интеграции средств обработки растровых изображений со средствами геоинформационного моделирования в единой операционной оболочке, относят такие признаки, как объектно-ориентрованная структура программного обеспечения, объектные модели данных, «многовариантные» СУБД, совместимость с большинством типов операционных платформ. Некоторые особенности организации таких систем, особенно в области объектно-ориентированного подхода будут специально рассмотрены в соответствующих разделах.
Взаимосвязь ГИС с другими типами автоматизированных информационных систем. Структурные и технологические сходства и различия. Технологии САПР как методологическая основа проектирования ГИС. Экспертные системы, их место в современных ГИС и технологиях.
Как уже было сказано, методологии и технологии ГИС интегрируют в себе современные достижения целого ряда научных направлений, в том числе в области проектирования и эксплуатации информационных систем различных типов. Ее основное индивидуальное отличие состоит в широких возможностях манипулировать с пространственными данными и осуществлять их анализ для самых разнообразных приложений.
Существует несколько типов информационных систем, работающих с пространственной информацией, которые в той или иной степени можно считать предшественниками ГИС. Это системы автоматизированного проектирования (CAD), системы автоматизированного картографирования (AM), системы управления сетями (FM) и системы мелкомасштабного пространственного анализа.
1. Системы автоматизированного проектирования (CAD или САПР) изначально предназначались для выпуска чертежной документации. Подготовка чертежей составляет около 70% проектной деятельности. Значительное сокращение рутинных чертежных работ, а также возможности автоматизированного редактирования проектной документации и ее многократного копирования обусловили быстрое и широкое распространение САПР. Первоначально САПР оперировали исключительно с двумерными пространственными данными, дальнейшее направление развития связано с введение трехмерных моделей и операций над ними (перенос, поворот, масштабирование, удаление скрытых линий).
В области представления и манипулирования с пространственной информацией системы автоматизированного проектирования имеют много общего с ГИС. В частности, именно из САПР были заимствованы основные типы графических примитивов – точечный, линейный, площадной, методы их представления и работы с ними, а также разбиение информации по слоям. Принципы разработки проектов САПР во многом применимы и к принципам разработки ГИС-проектов. Технические средства, используемые САПР для ввода и обработки графической информации, также во многом аналогичны средствам ГИС. Именно по этой причине специалисты в области ГИС, говоря об интеграции ГИС-технологий, считают основой такой интеграции технологии САПР.
Ограничением систем автоматизированного проектирования является работа исключительно в декартовой системе координат, преобладание операций над геометрическими фигурами, а также недостаток средств работы с семантической (тематической) нагрузкой. Семантическая информация, используемая в САПР, характеризуется большей однородностью и преобладанием количественных характеристик. Тем не менее, некоторые программные продукты САПР, в частности, популярный пакет AutoCAD, довольно часто используются в ГИС для городского кадастра, управления муниципальными объектами и недвижимостью, архитектурных задачах. В основном это связано с высокими требованиями к точности пространственного анализа (привязка объектов осуществляется с точностью до 2-5 см на местности). Пространственные данные в этих случая представляются в виде планов М 1 : 2000 и крупнее.
2. Системы автоматизированного картографирования (AM или АК). Изначально приспособлены для создания стандартных типов карт высокого качества. Являются предшественниками ГИС в части представления картографических данных (системы стандартизации машинных картографических условных знаков, способы хранения большого объема графической информации, проекционные преобразования). Ориентированы преимущественно на рабочие станции, имеют хорошо развитый интерфейс ввода-вывода, но существенно ограничены в возможностях пространственного моделирования, особенно с использованием тематических (атрибутивных) данных.
Следует отметить, что в настоящее время наблюдается тенденция слияния систем автоматизированного картографирования и ГИС, в основном на базе рабочих станций, обладающих большими вычислительными мощностями.
3. Системы управления сетями (FM) – системы управления пространственно распределенными объектами со значительной содержательной нагрузкой (коммуникационные сети, энергосети, трубопроводы и т.п.). Могут считаться предшественниками ГИС в части проектирования баз данных и организации СУБД.
4. Системы мелкомасштабного пространственного анализа. По своему функциональному назначению именно эти системы могут считаться первыми ГИС. Впервые такие системы появились в организациях географического и геологического профиля. Некоторые из них возникли на основе автоматизированных систем обработки данных дистанционного зондирования, преимущественно космических изображений, или создавались в дополнение к ним. Именно в этом классе систем возникло деление ГИС на растровые и векторные.
Следует сразу отметить, что такое разделение проводится не столько по наличию в системе возможности представления и обработки растровых и векторных слоев информации, сколько по наличию средств их пространственного анализа. Как правило, во всех системах тематической обработки данных ДЗ имеются возможности работы с векторными слоями. Тем не менее, большую часть этих систем нельзя отнести к растровым ГИС, так как средства взаимосвязи пространственных и атрибутивных данных и, как следствие, операций над совокупностями таких данных здесь существенно ограничены.
Растровый подход состоит в описании территории путем разбиения ее на ячейки регулярной сети, каждой из которых приписываются количественные и качественные характеристики. Минимальная ячейка такой регулярной сети может, естественно, соответствовать пикселу растрового изображения, но для реализации даже простейшего анализа в такой системе описания требуются большие вычислительные мощности. Многие аналитические операции на таких структурах данных могут быть эффективно реализованы только в системах с параллельными вычислениями. Тем не менее, прогнозируя дальнейшее развитие ГИС и технологий, многие специалисты считают такой подход весьма перспективным.
В большинстве современных ГИС, особенно ориентированных на ПК, преобладает векторный подход. В этом случае графическая информация представляется наборами пространственно локализованных точек, образующих графические объекты (графические примитивы). С этими объектами соотносятся наборы качественных и количественных характеристик (атрибуты). Ясно, что такое представление требует значительно меньших объемов памяти и существенно ускоряет процесс анализа. В большинстве векторных ГИС в качестве основных графических примитивов используются точка, линия и полигон, однако существуют системы, использующие и другие типы графических примитивов, например “мультилиния”.
Цели и задачи, для которых создавались системы мелкомасштабного пространственного анализа, напрямую связаны с теми целями и задачами, которые решают современные ГИС. Именно поэтому в таких системах сформировались основы методологии пространственного анализа и геоинформационного моделирования. Так, например, пакет обработки космической информации IDRISI, разработанный в свое время по заказу NASA, содержит ряд функций оперирования с растровыми и векторными слоями, ориентированных на достаточно сложный комплексный пространственный анализ, и некоторые операции поддержки принятия решений. В этом смысле данный пакет по своей функциональной организации можно считать мини-моделью современных интегрированных ГИС-пакетов. Однако работа с большими объемами данных и, тем более, с тематическими базами данных, в этом пакете, как и в большинстве пакетов обработки изображений, не предусмотрена.
Особое место в развитии современных ГИС и технологий занимают экспертные системы (ЭС). Если автоматизированные информационные системы, о которых говорилось выше, являются в том или ином смысле предшественниками ГИС, то экспертные системы – это, скорее, одна из основных тенденций развития. В самом деле, если рассматривать функциональное назначение экспертных систем, то они во многих аспектах совпадают или пересекаются с функциональным назначением ГИС: тематическая группировка данных, консультирование, выводы, диагностика, прогноз, идентификация, интерпретация и др.
Основные достоинства интеллектуальных систем наиболее сильно проявляются в тех направлениях, где требуются:
1) решения, оптимизация и выполнение оценок на основе трудноформализуемых данных;
2) предметно-ориентированный интерфейс для пользователей, не привыкших к формализации своих понятий и подходов к решению задач;
3) накопление данных в совокупности с правилами их анализа и использования при принятии решений;
4) решение вопросов и проблем, которые невозможно решить другими методами из-за объема данных и временных затрат;
5) индивидуальная адаптация системы за счет использования личного опыта пользователя-предметника в сфере его деятельности.
Экспертные системы можно определить как класс автоматизированных информационных систем, способных осуществлять анализ и коррекцию данных независимо от указания пользователя, анализ и принятие решений как по запросу, так и независимо от запроса пользователя, а также выполнения ряда классификационно-аналитических функций. Основной особенностью таких систем является наличие базы знаний и возможность алгоритмического разрешения противоречий. Именно эти факторы, собственно, и определяют условия, при которых можно использовать экспертную систему в некоторой предметной области. Прежде всего, для создания экспертной системы необходимо наличие экспертов, которые согласны передать системе свои знания. Во-вторых, необходимо существование сходимости, то есть согласованности решений. Кроме того, необходимо, чтобы применение экспертной системы оправдывало себя по затратам, то есть соответствовало одному из перечисленных выше направлений. Наконец, желательно, чтобы существовала возможность использования эвристических методов при неполноте или изменчивости информации в данной предметной области.
Для построения экспертных систем существуют готовые операционные оболочки. Реализация решений основывается на нескольких видах моделей представления знаний.
Продукционная (логическая) модель: основывается на логических взаимосвязях между элементами базы знаний типа «если – то». Перебор и анализ возможных взаимосвязей осуществляет программа, называемая машиной вывода. Чаще всего вывод бывает прямой (от данных к поиску цели) или обратный (от цели для ее подтверждения — к данным). Данные — это исходные факты, на основании которых запускается машина вывода. Примеры «пустых» операционных оболочек для создания этих систем - EXSYS, ЭКСПЕРТ; инструментальные системы ПИЭС и СПЭИС и др.
Семантические сети. Термин семантическая означает смысловая, а сама семантика — это наука, устанавливающая отношения между символами и объектами, которые они обозначают, т.е. наука, определяющая смысл знаков.
Семантическая сеть — это ориентированный граф, вершины которого — понятия, а дуги — отношения между ними.
Понятиями обычно выступают абстрактные или конкретные объекты, а отношения — это связи типа: "это" ("is"), "имеет частью" ("has part"), "принадлежит", "любит". Характерной особенностью семантических сетей является обязательное наличие трех типов отношений:
• класс — элемент класса;
• свойство — значение;
• пример элемента класса.
Можно ввести несколько классификаций семантических сетей. Например, по количеству типов отношений:
• однородные (с единственным типом отношений);
• неоднородные (с различными типами отношений). По типам отношений:
• бинарные (в которых отношения связывают два объекта);
• п-арные (в которых есть специальные отношения, связывающие более двух понятий). Наиболее часто в семантических сетях используются следующие отношения:
• связи типа "часть-целое" (^'класс-подкласс", "элемент-множество" и т.п.);
• функциональные связи (определяемые обычно глаголами "производит", "влияет"...);
• количественные (больше, меньше, равно...);
• пространственные (далеко от, близко от, за, под, над ...);
• временные (раньше, позже, в течение...);
• атрибутивные связи (иметь свойство, иметь значение...);
• логические связи (и, или, не) и др.
Проблема поиска решения в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, соответствующей поставленному вопросу.
Основное преимущество этой модели — соответствие современным представлениям об организации долговременной памяти человека. Недостаток модели — сложность поиска вывода на семантической сети.
Для реализации семантических сетей существуют специальные сетевые языки. Широко известны экспертные системы, использующие семантические сети в качестве языка представления знаний — PROSPECTOR, CASNET, TORUS.
Фреймы. Фрейм (англ. frame — каркас или рамка) предложен М.Минским в 70-е гг. как структура знаний для восприятия пространственных сцен. Эта модель, как и семантическая сеть, имеет глубокое психологическое обоснование. Под фреймом понимается абстрактный образ или ситуация. Фреймом называется также и формализованная модель для отображения образа. Описание фрейма осуществляется через набор характеристик-слотов. К каждому слоту может быть присоединена некоторая процедура. В качестве значения слота может выступать имя другого фрейма; так образуют сети фреймов.
Различают фреймы-образцы, или прототипы, хранящиеся в базе знаний, и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных ситуаций на основе поступающих данных.
Модель фрейма является достаточно универсальной, поскольку позволяет отобразить все многообразие знаний о мире через
• фреймы-структуры;
• фреймы-роли;
• фреймы-сценарии;
• фреймы-ситуации.
Важнейшим свойством теории фреймов является заимствованное из теории семантических сетей наследование свойств. И во фреймах, и в семантических сетях наследование происходит по АКО-связям (A-Kind-Of = это).
Основным преимуществом фреймов как модели представления знаний является способность отражать концептуальную основу организации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность. Широко известны такие фреймо-ориентированные экспертные системы, как ANALYST, МОДИС.
Среди всех задач геоинформатики можно выделить несколько направлений, где применение экспертных систем представляется наиболее эффективным. Это
анализ и интерпретация изображений;
растрово-векторные преобразования;
картографическая генерализация;
прогнозно-аналитические задачи;
поддержка принятия решений.
Из-за сложности создания базы знаний в предметных областях в настоящее время экспертные системы используются на отдельных этапах геоинформационных технологий (являются частью ГИС). Примерами могут служить система MAPEX – автоматическая генерализация данных цифрового линейного графа Геологической службы США, GES – система – консультант картографов Управления по энергетическим, минеральным и природным ресурсам Канады, AVL 2000 – система автоматического определения местоположения транспортного средства и навигации, использующая GPS-данные в реальном масштабе времени.
Расширение сферы применения экспертных систем связано прежде всего с готовностью специалистов-предметников формализовать и классифицировать свои понятия для успешного использования их в информационных технологиях.
Методологическое обеспечение гис и технологий. Понятие гис-проекта. Основные этапы проектирования гис (концептуальное, инфологическое, логическое, физическое).
В современном термине ГИС объединяются два понятия: геоинформационная система и геоинформационная технология. Геоинформационная система – это аппаратно-программный комплекс, служащий физической средой для сбора, обработки и анализа данных, цифрового и геоинформационного моделирования. Геоинформационная технология – взаимосвязанная совокупность процессов, обеспечивающих решение поставленной задачи. Проектирование ГИС включает, таким образом, два аспекта: системный и технологический.
Проблемно-ориентированную ГИС в совокупности с ее технологическим и методологическим обеспечением обычно называют ГИС-проектом. ГИС-проект может представлять собой как конечное приложение, реализованное в некоторой программно-инструментальной среде, так и открытую динамическую информационную систему, включающую целый комплекс технических и программных средств и обеспечивающую решение достаточно широкого спектра задач в конкретном прикладном направлении.
По объему и разнообразию типов информации, равно как и по разнообразию методологий, используемых при обработке и анализе этой информации, геоинформационные системы практически не имеют аналогов. Именно поэтому проектирование ГИС должно опираться, прежде всего, на абстрактные модели данных и методологию системного анализа.
Проектирование любой мало-мальски сложной информационной системы обычно осуществляется в три этапа.
На первом этапе разрабатывается концептуальная модель проекта. Концептуальная модель носит преимущественно описательный характер. Основной задачей концептуального моделирования является формализованное описание объекта исследования и его основных компонент. Далее выполняется декомпозиция системы в соответствии с информационным обеспечением и методологией обработки и анализа данных по каждой из компонент.
При проектировании сложной ГИС, в которой предполагается использовать большое количество данных разных типов и предметного содержания, декомпозиция системы должна быть естественным образом взаимосвязана с областью компетенции каждого из специалистов, принимающих участие в ее разработке: геодезистов, картографов, специалистов по обработке и анализу данных ДЗ, специалистов в конкретной предметной области. Четкая концептуальная схема ГИС-проекта облегчает разграничение функций и взаимодействие между разработчиками системы, и упрощает процесс проектирования на следующем этапе.
Основой и определяющим фактором при проектировании любой информационной системы являются данные. Поэтому концептуальная модель прежде всего отражает основные принципы организации и взаимосвязи данных. В теории баз данных наиболее распространены три основных базовых модели данных: иерархическая, сетевая и реляционная. Тем не менее, на концептуальном уровне проектирования ГИС наибольший интерес представляет объектная модель данных или, иначе, модель «сущность-связь» (ER-model), что обусловлено разнотипностью данных и сложностью их взаимосвязей.
Основные элементы объектной модели.
В настоящее время разработка любой мало-мальски сложной компьютерной технологии обязательно включает этап объектного моделирования. И это не всегда связано с необходимостью написания под эту модель специального программного обеспечения. Основной задачей современных технологий является, прежде всего, эффективная система организации данных, удобная для манипулирования этими данными. Как уже говорилось, ГИС – одна из наиболее сложных систем по многообразию и объемам данных. Именно поэтому разработка объектной модели является для проектирования ГИС необходимым элементом.
Для схематического описания объектной модели изначально использовались разнообразные обозначения из тех, которые вообще используются при отображении различных схем. В 1997 году ведущие системные аналитики пришли к некоторому общему знаменателю, в результате чего появился язык UML (Unified Modeling Language) – Унифицированный Язык Моделирования. Тем не менее, некоторые системные аналитики до сих пор используют собственную систему обозначений, которая, впрочем, отличается от UML несущественно и в основном на нижних уровнях детализации системы.
Основой ER-модели является абстрактный объект, обладающий некоторым наборов характеристик, называемых атрибутами или реквизитами. В соответствии со своими свойствами, объект может выполнять определенные действия и находиться в определенном состоянии.
Множество объектов, обладающее одинаковыми реквизитами, образует класс или сущность (entity). Объекты одного класса называют экземплярами класса. Классы могут быть организованы в структуру, определяющую отношения между ними. Выделяют три вида отношений: наследование (обобщение), агрегирование (агрегация) и ассоциация.
Отношения между классами в объектной модели описываются с помощью диаграмм. Классы в диаграммах обозначаются прямоугольниками, связи между ними, линиями, помеченными значком в соответствии с принятой нотацией. Мы будем пользоваться нотацией, принятой в объектной модели данных программно-инструментальной системы ArcView, которая будет служить иллюстрацией к данному изложению.
Наследование означает отношение “является разновидностью”. Отношения типа наследования образуют иерархию классов, в которой класс более высокого уровня иерархии объединяет классы по определенному набору реквизитов. Эти реквизиты определяются только один раз в классе высшего уровня иерархии. Символом наследования в рассматриваемой нотации является незакрашенный треугольник.
Агрегирование означает отношение “состоит из”. Как и наследование, оно образует иерархическую структуру, то есть класс низшей иерархии не может состоять из классов более высокого уровня. Агрегирование обозначается ромбом.
Ассоциация описывает физическое или концептуальное соединение между классами. Чаще всего ассоциация задается словесным описанием ее типа, например «A приводит в действие B» или «А обеспечивает фунционирование В».
Другие символы описывают один из возможных типов связей по количеству связанных объектов: “один к одному” (простая линия), “один ко многим” «многие ко многим» (закрашенный круг), «ни одного или один» (незакрашенный круг).
В UML приняты не кружки, а числовые обозначения (например, «1..*» для связи 1:N), но для описания больших систем кружки все-таки удобнее.
На концептуальном уровне «обобщенную» модель ГИС можно описать так, как это показано на рис.3.
На втором этапе проектирования разрабатывается информационно-логическая модель ГИС. Здесь разрабатываются модели типов данных вплоть до атомарных (неделимых) элементов нижнего уровня, их логические взаимосвязи, методы и алгоритмы их обработки и анализа. После формирования информационно-логической модели создается физическая модель проекта, описывающая конфигурацию технических средств и программного обеспечения.
Прежде чем переходить ко второму этапу, заметим, что при проектировании БД концептуальная модель «сущность-связь» используется уже не первое десятилетие. Однако методология перехода от концептуальной модели непосредственно к структуре данных претерпела за это время некоторые изменения и именно из-за перехода к объектно-ориентированному программированию. До этого в программировании господствовал так называемый структурный подход и соответствующий ему «каскадный» метод проектирования баз данных. В основных чертах он сохранился во многих направлениях, где для представления данных может использоваться одна из классических базовых моделей данных. Как мы увидим дальше, способы представления пространственных данных в ГИС существенно отличаются от привычных большинству пользователей БД табличных форм. Достаточно вспомнить хотя бы форматы, используемые для хранения изображений, которые являются одним из видов пространственных данных. Поэтому классический каскадный метод проектирования БД здесь пригоден только до определенного уровня.
На этапе инфологического моделирования рассматриваются как базовые модели типов данных, так и специфические координатные модели ГИС. Здесь следует различать атомарные модели, как способ организации минимальных единиц информации, и крупные структуры данных, состоящие из этих атомарных единиц или более мелких структур.
Объектная модель (ER) системы как раз и обеспечивает возможность выделить атомарные элементы системы, а также проанализировать все взаимосвязи и выбрать наилучшие типы базовых моделей для эффективной организации и обработки имеющихся данных.
Сложные структуры данных, а также отдельные атомарные модели, могут создаваться на основе одной из базовых моделей, перечисленных выше. Рассмотрим вкратце особенности этих моделей, их преимущества, ограничения и сферу их применения в ГИС.
Иерархическая модель. Наиболее жестко структурированная модель данных. Реализует только один тип связей: 1 : n (один ко многим). Структурная диаграмма иерархической модели представляет собой ориентированный граф-дерево, все дуги которого соответствуют функциональным связям и направлены от корня по ветвям дерева к его концевым вершинам.
Основными понятиями иерархической модели данных являются сегмент (запись) и поле. Поле – это минимальная доступная пользователю единица информации. Для сегмента выделяют понятия тип сегмента и экземпляр сегмента. Каждый тип сегмента (записи) определяет некоторый набор полей, а экземпляр сегмента представляет собой набор конкретных значений из этих полей. Уровень записи - это длина пути (в дугах) от корневой записи. Поиск в иерархической БД сводится к поиску маршрута и сильно усложняется с увеличением количества уровней.
Тем не менее, достоинством иерархических БД является отсутствие избыточности. Поэтому при хранении очень больших объемов данных, в том числе пространственных, эта модель оказывается весьма эффективной. Прежде всего, это связано с тем, что при различных масштабах карты требуется различная степень детализации отображаемых на ней объектов и процессов. При переходе от крупных масштабов к более мелким выполняется картографическая генерализация данных, которая во многих случаях может укладываться в иерархическую структуру. В науках о Земле широко используются разнообразные классификаторы, связанные с территориальным распространением тех или иных свойств объектов земной поверхности, а также происходящих на ней процессов. Так при классификации растительного покрова, ландшафтов, типов почв обычно используется иерархическая структура зона-подзона-класс-подкласс-группа_типов-тип-подтип и т.д. Свойства минимальной таксономической единицы такой структуры включают совокупность свойств более высоких уровней иерархии, и нет необходимости в хранении
вместе с каждой таксономической единицей полного перечня ее свойств. То или иное свойство может храниться на соответствующем уровне иерархии и автоматически приписываться всем нижележащим элементам. То есть некоторые элементы вообще можно не хранить в БД.
Аналогичная ситуация может возникать при тематическом анализе мультивременных данных ДЗ в задачах мониторинга земной поверхности. При обнаружении локальных изменений нет необходимости сохранять целиком новое изображение, достаточно внести эти локальные изменения в уже имеющуюся картину земной поверхности. Кроме того, представление растровых данных в различных масштабах также требует генерализации значений отдельных пикселов. Поэтому во многих растровых ГИС также применяются иерархические пирамидальные модели, которые называют квадратомическим деревом.
Для построение квадратомического дерева вся территория разбивается на ячейки регулярной сети, чаще всего на квадраты. Квадраты нумеруются в определенной последовательности по уровням иерархии. Каждому квадрату приписывается номер в соответствии с его уровнем иерархии (рис.4).
Рис.4.
Концевой вершиной этого дерева является пространственная ячейка минимального размера. Оптимизация хранения информации в такой модели достигается за счет хранения только тех ветвей, которые имеют какие-то отличия по своим характеристикам.
Методы обработки квадратомических деревьев позволяют решать задачи, связанные с сегментацией изображений, распознаванием, подсчетом площадей, анализа смежности и связности, сглаживания, устранения краевых эффектов и некоторые другие. Проблемой при недостаточной мощности вычислительных средств остается техника линейного кодирования древовидных структур.
Сетевые модели. Реализуют связи m:n (многие ко многим). Допускают сложную иерархическую соподчиненность, то есть могут иметь несколько «старших» элементов. Обычно представляются в форме графов. Избыточность сетевых моделей в целом меньше, чем, например, у реляционных моделей, так как некоторые связи можно кодировать по принципу иерархических. В отличие от иерархических, распространены как раз в векторных ГИС, но используются чаще в экономических, географических и бизнес-приложениях. Здесь можно выделить веб-модели (информация сосредоточена в узлах графа) и плекс-модели (информация сосредоточена на дугах графа). Широко применяются в экспертных системах (семантические сети).
Сетевая модель, как любой граф, может описываться матрицей смежности размерности n х n (n – количество вершин), матрицей инцидентности (инциденций) размерности n х m (m – количество ребер) и списком смежности (ссылок на вершины, смежные с данной).
Список смежности – наиболее компактная форма описания графа и допустима для любых его типов. Однако если связи между вершинами графа имеют определенные веса, то предпочтительнее описание в матричной форме. Действительными числами, положительными или отрицательными, представляются условные веса и направления дуг. В простейшем случае матрицы смежности и матрицы инциденций являются бинарными.
Базовыми элементами сетевой модели являются: элемент данных, агрегат данных, набор данных, запись.
Элемент данных – минимальная (атомарная) единица. Элементы объединяются в агрегат данных. Существует два типа агрегатов данных – вектор и повторяющаяся группа. Примером агрегата типа «вектор» может служить адрес объекта и другие статические характеристики. Примером повторяющейся группы – серия наблюдений за его состоянием (динамические характеристики). Записью называется набор элементов или агрегатов данных, моделирующих состояние объекта в целом. Набором называется двухуровневый граф, реализующий отношение 1: N между двумя записями. Поскольку такие связи можно реализовать для каждой записи, то понятие набора фактически реализует отношение «многие ко многим».
Разновидностью сетевой модели являются так называемые семантические сети, основанные на однородных бинарных отношениях. Отношение a R b между элементами a и b некоторого множества V соответствует наличию дуги между двумя вершинами графа.