ЕНИСЕЙСКАЯ АРКТИКА

Hекоммерческая междисциплинарная научно-образовательная платформа

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Геоинформационные системы (аббревиатура ГИС) – это автоматизированные системы, служащие для обработки пространственно-временной информации, в основе которых лежат загружаемые географические данные.
https://greatr.ru/partpress1594.htm

ГИС предназначена для многосторонней работы с данными – для их получения и хранения, обновления и демонстрации. Поэтому ГИС принято оценивать по нескольким критериям. Оперируя картографической информацией, система функционирует для ускорения принятия решений по эффективному распределению земель и ресурсов, по руководству городским хозяйством, координации транспорта или других пространственных объектов.

Как технологический продукт ГИС вбирает в себя ряд программных инструментов, которые позволяют автоматизировать поучение и анализ информации до нескольких кликов.

Как работающие с базами данных системы ГИС характеризуют себя обширным спектром методов сбора этих данных и технологических инструментов для их обобщения. Стоит отметить, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных.

Географические информационные системы можно рассматривать и как системы моделирования, поскольку одна из экспертных задач, которая решается с помощью данной платформы – моделирование различных ситуаций в зависимости от имеющихся данных. Возможность загрузки данных и оценки реальной ситуации.

ОРГАНИЗАЦИИ И ВЕДОМСТВА В ОБЛАСТИ ГИС

Южно-Уральский государственный университетhttps://www.susu.ru/ru

Научно-образовательный центр «Геоинформационные системы» Презентация НОЦ ГИС

Функции центра:

-создание, внедрение и ведение геоинформационных систем;

-выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области ГИС-технологий;

-разработка системного и прикладного программного обеспечения для ГИС;

-организация обучения, сопровождение, повышения квалификации и переподготовки пользователей ГИС;

-получение и обработка материалов ДЗЗ (спутниковые снимки, аэрофотосъемка);

-создание и обновление цифровых топографических и тематических карт различных масштабов;

-создание трехмерных фотореалистических моделей объектов местности и недвижимости;

-проведение научно-технических и научно-практических конференций и семинаров по тематике ГИС центра ЮУрГУ.

Геоинформационный портал: http://gis2.susu.ru/
Инновационное предприятие «Урал ГИС»: http://uralgis.ru/

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ https://www.intuit.ru/studies/courses/13858/1255/lecture/23975?page=1

Глобализация и интернационализация экономики, уничтожение торговых барьеров между большим числом государств в Европе и Азии, широкое применение информационных технологий и информационных систем в деятельности государственных и коммерческих структур, появление и быстрое развитие глобальной сети Internet привело в середине 80-х годов ХХ века к появлению информационных систем, которые позволяли организовать в режиме On Line работу транснациональных корпораций, находящихся на разных континентах. Расстояния перестали быть препятствием для эффективной работы распределенных компаний – развивающиеся ИКТ обеспечивали практически мгновенную связь и доставку информации для анализа и принятия делового решения, реализуя известный принцип “7 х 24” (“7 дней в неделю, 24 часа в сутки”). Значительную часть этой информации практически в любой сфере деятельности мы получаем в виде рисунков и карт, планов, схем и пояснительных текстов.

Рис. 1. Пример содержания базы данных ГИС

Это могут быть схемы магистрального газового или нефтяного трубопровода из Сибири в Западную Европу, движения подводных лодок и самолетов боевого патрулирования вдоль границ России, схемы железнодорожных путей в масштабе страны или метро в городе, план здания или схема взаимосвязей между офисами компании, карта экологического мониторинга территории, атлас земельного кадастра или карта природных ресурсов и т. д.

Выбор места для филиала компании за рубежом, проведение маркетинга и набор персонала в другой стране, координатная “привязка” производства к той местности, где это наиболее выгодно с точки зрения наиболее эффективного использования ресурсов в большинстве случаев перестали быть трудно разрешимой задачей. Появилась насущная необходимость представлять географическую и сопутствующую информацию в удобном графическом виде, совмещая на экране монитора несколько листов сканированного изображения карты.

Быстрое развитие специализированных систем и технологий, получивших название географических информационных систем — ГИС (Geographical Information Systems — GIS), позволило к концу ХХ века успешно решать такие задачи (рис. 1) [Основы геоинформатики и ГИС-технологий, http://cnit.pgu.serpukhov.su/koi/kyk.htm].

Рис. 1. Пример содержания базы данных ГИС

ГИС-технологии получили широкое распространение и применение в науке, технике, бизнесе. Координатно-временная привязка объектов используется в геодезии, картографии, геологии, мореходном деле. Обработка и сведение в единую систему фотографических снимков из космоса в научных и военных целях, обработка данных геофизики и геодинамики, использование в народном хозяйстве (составление городских, региональных и федеральных земельных кадастров) и многое другое производятся с применением ГИС-технологий. Многочисленные определения понятия “геоинформационная система” и “геоинформационная технология” отражают многоплановость понятий (рис. 5.3).

Трехмерная (рельефная) карта ГИС

Рис. 2. Трехмерная (рельефная) карта ГИС

Многоплановость областей применения ГИС

Рис. 3. Многоплановость областей применения ГИС

Это видно и из табл. 1, где приведены различные определения этих понятий. Из этой обширной интересной таблицы видно, как складывалось понимание сути технологий ГИС — самое раннее относится к 1966 году, последнее – к 1991 году. Всё это говорит о том, что к началу 90-х годов определение ГИС, в основном, сложилось.

Таблица 1. Хронология определений понятия ГИС

Langefor-ce B.
Система, в состав которой входят компоненты для сбора, передачи, хранения, обработки и выдачи информации о территории.
Theoretical Analysis of Information Systems. Lund, 1966.

Degani A.
Динамически организованное множество данных (динамическая база данных или банк данных), соединенное с множеством моделей, реализованных на ЭВМ для расчетных, графических и картографических преобразований этих данных в пространственную информацию в целях удовлетворения специфических потребностей определенных пользователей в пределах структуры точно определенных концепций и технологий.
Methodological observation on the state of geo cartographic analysis in the context of automated spatial information systems.
– Map Data Process. – Proc. NATO Adv. Study Inst. Maratea, June 18-29, 1979, Acad. Press. 1980, pp. 207-220.

Vitek J.D., Walsh St.J., Gregory M. S.
Информационная система, которая может обеспечить ввод, манипулирование и анализ географически определенных данных для поддержки принятия решений.
Accuracy in geographic information systems: an assessment of inherent and operational errors. – Record 9th Symp. Spat. Technol. Remote Sens. Today and Tomorrow. Sioux Falls, S.D., 2-4 Oct. 1984. – Proc. Silver Spring, 1984, pp. 296-302.

Star J.L., Cosentino M. J., Foresman T. W.
Пространственно-определенная система для сбора, хранения, поиска и манипулирования данными, а также средство анализа и управления этими данными.
Geographic information systems: question to ask before it`s to late. – Machine Processing of Remotely ended Data with Special emphasis on Thematic Mapping Data and Geographic Information Systems, 1984, pp.194-197.

Трофимов А. М., Панасюк М. В.
Реализованное с помощью автоматических средств (ЭВМ) хранилище системы знаний о территориальном аспекте взаимодействия природы и общества, а также программного обеспечения, моделирующего функции поиска, ввода, моделирования и др.
Геоинформационные системы и проблемы управления окружающей средой. Казань, изд-во Казанского ун-та, 1984, 142 с.

Clarce K.
Особый случай информационной системы, где база данных состоит из наблюдений за пространственно распределенными явлениями, процессами или событиями, которые могут быть определены как точки, линии и контуры.
Geographic information systems: definitions and prospects. – Bull. Geogr. and Map Div. Spec. Libr. Assoc., 1985, № 142, pp.12-17.

Konecny M.
Система, состоящая из людей, а также технических и организационных средств, которые осуществляют сбор, передачу, ввод и обработку данных с целью выработки информации, удобной для дальнейшего использования в географическом исследовании и для ее практического применения/
Geograficke informacni systemy. – Folia prirodoved. fak. UJEP v Brne, 1985, t. 26, № 13, 196 s.

MacDonald C. L., Crain I. K.
Система, реализуемая для сбора, хранения, манипулирования, поиска и отображения географически определенных данных”
Applied computer graphics in a geographic information system: problems and successes. – Computer graphics and application, 1985, vol. 5, № 10, pp. 34-39.

Reisinger T. W., Davis C. J.
Система, которая манипулирует и управляет данными, хранящимися в виде тематических слоев, географически определенных относительно карты-основы.
A map-based decision support system for operational planning of timber harvests. – Winter Meet. Amer. Soc. Arg. Eng., Ayatt Regency, Chicago, Decem ber 17-20, 1985. Paper N 1604. – St. Joseph: ASAE, 1985, 12 p.

Abler R.
Комплекс аппаратно-программных средств и деятельности человека по хранению, манипулированию и отображению географических (пространственно соотнесенных) данных.
The National Science Foundation National Center for Geographic Information and Analysis – International Journal of Geographical Information Systems, 1987, v. 1, № 4, pp. 302-306.

Berry J.
Внутренне позиционированная автоматизированная пространственная информационная система, создаваемая для управления данными, их картографического отображения и анализа.
Fundamental operations in computer-assisted map analysis – International Journal of Geographical Information Systems, 1987, v. 1, № 4, pp. 119-136.

Lillesand T., Liefer R. W.
Система, включающая базу данных, аппаратуру, специализированное математическое обеспечение и пакеты программ, предназначенных для расширения базы данных, для манипулирования данными, их визуализации в виде карт или таблиц и, в конечном итоге, для принятия решений о том или ином варианте хозяйственной деятельности.
Remote session and image interpretation. N.Y., John Willey and Sons, 1987, 722 p.

Тикунов В. С.
Интерактивные системы, способные реализовать сбор, систематизацию, хранение, обработку, оценку, отображение и распространение данных и как средство получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях.
Современные средства исследования системы “общество-природная среда”. – Известия Всесоюзн. Географич. общества, 1989, т. 121, вып. 4, с. 299-306.

Кошкарев А. В.
Аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества.
Картография и геоинформатика: пути взаимодействия. Изв. АН СССР, серия геогр., 1990, № 1, с. 32.

Сербенюк С. Н.
Научно-технические комплексы автоматизированного сбора, систематизации, переработки и представления (выдачи) географической информации в новом качестве с условием прироста знаний об исследуемых пространственных системах.
Картография и геоинформатика – их взаимодействие. М., 1990, 159 с.

Симонов А. В.
Система аппаратно-програмных средств и алгоритмических процедур, созданная для цифровой поддержки, пополнения, управления, манипулирования, анализа, математико-картографического моделирования и образного отображения географически координированных данных.
Агроэкологическая картография. – Кишинев, изд-во “Штиинца”, 1991 г. – с.127

Анализируя эти определения и убирая повторяющиеся фразы, можно выделить основные ключевые слова, относящихся к современному понятию ГИС-технологий. Это — “информационная система”, “географическая информация”, “программно-аппаратные средства”, “интерактивные системы”, “математические статические и динамические модели”, “пространственно-координированные данные”, “управление, анализ, манипулирование данными”, “образное отображение (визуализация) данных в виде карт или таблиц”, “тематические карты-слои”, “картографические базы данных”.

Общая структура GIS-платформы

Рис. 4. Общая структура GIS-платформы

И, наконец, приведём определение 1997-го года, взятое из ГОСТа, которое в большой степени объединяет приведенные выше определения и использует практически все выделенные выше ключевые слова: “Географическая информационная система (ГИС) —это совокупность технических, программных, коммуникационных и информационных средств, обеспечивающих ввод, обработку, хранение, математико-картографическое моделирование и образное интегрированное представление (визуализацию) пространственных и соотнесённых с ними атрибутивных данных для решения проблем территориального планирования и управления (ОСТ ВШ 02.001-97).

Таким образом, ГИС-технологии — это, прежде всего, компьютерные технологии и системы, позволяющие эффективно работать с динамическими данными о пространственно-распределенных объектах, дополняя их наглядностью представления и возможностью строить модели и решать задачи пространственно-временного анализа. ГИС, как и любая информационная система, снабженная средствами сбора и обработки данных, дает возможность накапливать и анализировать подобную информацию, оперативно находить и обрабатывать нужные географические сведения и отображать их в удобном для пользователя виде (рис. 4) [Сырецкий Г. А., 2007].

Применение ГИС-технологий позволяет резко увеличить оперативность и качество работы с пространственно-распределенной информацией по сравнению с традиционными “бумажными” картографическими методами.

Географические пространственно-распределенные данные означают информацию, которая идентифицирует географическое местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов, а также их границ на земле, над и под землей, на воде, над и под водой, в космическом пространстве. Эта информация может быть получена с помощью дистанционного зондирования, картографирования и различных видов съемок, включая съёмки из космоса.

Данные содержат четыре интегрированных компонента: местоположение и пространственные отношения объектов, время, на которое зафиксированы эти компоненты, и скорость изменения указанных параметров. Иными словами, географические данные описывают:

географическое пространственное положение физических или смоделированных объектов представляется 2-мерными (координаты X,Y на плоскости), 3-х мерными (широта, долгота, высота над уровнем геоида) и 4-х мерными координатами (широта, долгота, высота над уровнем геоида, время в секундах, средних сутках, среднем солнечном годе) в системе координат, отнесенной к среднему полюсу Земли и положению среднего экватора;

свойства объектов или моделей могут содержать информацию, которая не указывает явно на пространственную ориентацию и является описательной — тем не менее, такая информация является важной и она также включается в географические данные;

пространственные отношения определяют взаимное расположение объектов или моделей — например, положение объекта А по отношению к объекту В на плоскости, в пространстве или во времени, движение А относительно В, вложенность А в В и т.д.;

временные параметры могут характеризовать как взаимное отношение объектов (моделей) так и жизненный цикл географических данных.

Области применения ГИС сегодня крайне разнообразны: землеустройство, контроль ресурсов, экология, муниципальное управление, транспорт, экономика, социальные задачи и многое другое. Первые работы по ГИС-технологиям начали проводиться более 25 лет назад в Канаде и США, где первоначально использовались в основном для целей землеустройства южных и западных районов США и картографирования канадских районов Арктики с помощью компьютерной обработки спутниковых фотографий.

Сейчас все шире начинают внедряться ГИС массового пользования — для генеральных электронных планов городов, планов разработки месторождений полезных ископаемых и морской разведки нефтяных пластов, схем инженерных коммуникаций, схем движения транспорта и т.п. По некоторым оценкам до 80-90% всей информации, с которой мы обычно имеем дело, может быть представлено в виде ГИС различного назначения.

Для поддержки критически важных областей деятельности — атомная энергетика, добыча и транспортировка нефти и газа, ликвидация последствий природных и техногенных катастроф, деятельность в оборонной сфере — в настоящее время всё шире разрабатываются и применяются специализированные Web-ресурсы для реализации распределенных ГИС и ГИС-порталов. Разработка таких порталов производится сегодня на базе международных стандартов, созданных известными международными организациями по стандартизации — ISO (International Organization for Standardization) и OGC (Open Geospatial Consortium). Это такие стандарты, как ISO 19115 MetaData, ISO 19139 MetaData — XML Schema Implementation, Catalog Interfaces, Geography Markup Language и Web Map Service.

В настоящее время создание ГИС является одним из наиболее бурно растущих сегментов рынка высоких компьютерных технологий, на котором работает большое количество крупных фирм за рубежом и в России. Среди них можно отметить Intergraph (http://www.intergraph.com/gis), ESRI (http://www.esri.com), MapInfo (http://www.mapinfo.com), Autodesk (http://www.autodesk.com), CalComp, Space Imaging (http://www.geoeye.com), Центр геоинформационных исследований Института географии РАН (сайт “Мир карт”, http://www.mirkart.ru, завоевавший в 2003 году “Интел-Интернет-премию” России) и многие другие. Для непрофессиональных пользователей существуют великолепные Web-ресурсы GoogleMap (http://maps.google.com) и Geography NetWork (http://www.geographynetwork.com).

Классификация ГИС, функциональность и cредства поддержки

Многообразие существующих ГИС-решений укладывается в различные виды классификаций ГИС [Цветков В.Я., 1998; ДеМерс Майкл Н., 1999; Сырецкий Г.А., 2007].

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования — городские или муниципальные (Urban GIS — UGIS), природоохранные (Environmental GIS), производственные (Manufacturing Facilities GIS — MFGIS) и т.д. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней научными и прикладными задачами — инвентаризация ресурсов (кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Интегрированные ГИС (Integrated GIS — IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Масштабно-независимые ГИС (Multiscale GIS — MSGIS) основаны на множественных представлениях пространственных объектов (Multiscale Representation), обеспечивая графическое или картографическое вопроизведение данных на любом уровне масштабирования на основе того набора данных, который обеспечивает наибольшее пространственное разрешение. Пространственно-временные ГИС (Spatio-temporal GIS — STGIS) оперируют пространственно-временными данными.

Реализация геоинформационных проектов (GIS Project), включает обычные этапы жизненного цикла:

предпроектных исследований (Feasibility Study), в том числе изучение требований пользователя (User Requirements) и функциональных возможностей (Functional Facilities) используемых программных средств ГИС;

технико-экономическое обоснование разработки ГИС;

оценку соотношения “затраты/прибыль” (Costs/Benefits);

системное проектирование ГИС (GIS Designing), включая стадию пилотного проекта (GIS Pilot Project);

разработку (GIS Development);

тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (Test Area);

прототипирование или создание опытного образца (Prototyping);

внедрение (GIS Implementation);

введение в эксплуатацию и использование (Setting into Operation).

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС являются предметом изучения быстро развивающейся ветви информатики — геоинформатики.

В истории развития ГИС геоинформатика выделяет четыре основных периода:

60-е — середина 70-х годов: исследование принципиальных возможностей использовать большие ЭВМ того времени для накопления, обработки, анализа и построения банков и баз географических данных; теоретические работы в области обработки таких данных, накопление опыта;

середина 70-х — середина 80-х годов: появление автоматизированных систем управления (АСУ), в том числе и первых специализированных ГИС, разработка крупных государственных ГИС-проектов в области контроля атомной энергии и гидроэнергетики, обороны и т.д;

середина 80-х — конец 90-х годов: становление понятия ГИС, появление рынка программных средств, реализующих различные ГИС на базе персональных компьютеров, мощных серверов и сетевых коммуникациях; расширение области применения ГИС на основе интегрированных БД и мощных СУБД, включающих инструменты для обработки и требуемой визуализации географических и описательных данных; появление прикладных ГИС для непрофессиональных пользователей, а также специализированных распределенных ГИС, поддерживающих государственные и корпоративные базы таких данных;

начало ХХ века — сегодняшний момент: возросшая потребность в географических данных в связи с глобализацией многих сфер экономики, сильная конкуренция на рынке ГИС, появление многочисленных групп пользователей, заинтересованных в конкретных прикладных программных ГИС-средствах, использование принципов искусственного интеллекта и интеллектуальных сетей при проектировании ГИС, применение технологии программных мобильных агентов для сбора специализированной информации в экспертных ГИС, формирование мировой ГИС-инфраструктуры.

Указанные этапы развития предъявляли всё новые требования к функциональности различных ГИС, однако эти требования сложились в общих чертах на третьем этапе в 80-х 90-х годах. Отметим сразу, что ГИС — это не просто географическая карта, перенесенная на компьютер. Геоинформационные системы хранят информацию в виде наборов тематических электронных слоев, которые можно объединять по любому требуемому признаку. Поэтому технологии ГИС интегрируют в себе операции для работы со слоями, базами данных, средствами анализа и визуализации слоев, содержащих требуемые данные в нужных сочетаниях.

Тематические слои ГИС

Рис. 5. Тематические слои ГИС

Трансформация слоев и конвертирование данных из одного формата в другой

Рис. 6. Трансформация слоев и конвертирование данных из одного формата в другой

Например, строительство крупного супермаркета в мегаполисе требует совместного анализа данных, указанных на рис. 5. Трансформация (объединение, расщепление, масштабирование и т.д.) слоев и конвертирование данных из одного формата в другой производится методами математической картографии и управления данными в базе данных ГИС (рис. 6).

Функциональные возможности ГИС

В ГИС в целом выполняется пять основных функциональных процедур с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию [Андрианов В., 1999].

Ввод данных. Географические данные (числа, текст, изображения) для использования в ГИС вводятся в векторном или растровом виде, если такие данные уже существуют в подходящем цифровом формате, либо предварительно оцифровываются с помощью диджитайзера или сканера. Каждый элемент или объект изображения имеет координатную привязку. Тем самым, любые свойства и характеристики реальных объектов (моделей) или их элементов “привязаны” к местоположению объекта в координатной сетке. При этом всегда следует иметь в виду, что технологии оцифровки или занесения данных в конкретный тематический слой, а также наложение и сведение слоев могут сопровождаться значительными ошибками, которые в дальнейшем приведут к заметным искажениям картографических данных и визуализации результата (рис. 7).

Средства манипулирования представляют собой различные способы выделения, группировку и преобразования данных, например, приведение всей геоинформации к единому масштабу и проекции на определенный тематический слой для удобства совместной обработки. Для хранения, структурирования и управления данными в ГИС чаще всего используются реляционные базы данных с элементами OLAP-технологий (On Line Analytical Processing) и технологий создания отчетов (Report Creation).

Запрос и анализ можно выполнять на разных уровнях сложности — от самых простых вопросов: где находится объект и каковы его описательные свойства — до поисков и компиляции данных по сложным шаблонам и сценариям вида “А что если…”. В современных ГИС имеются развитые средства анализа взаимной близости и наложения объектов, принадлежащим разным тематическим слоям.

Первый инструмент связан с выделением буферных зон вокруг заданных объектов по комбинации различных параметров (например: “Выделить населенные пункты, расположенные не далее двух километров от конкретного аэропорта” или “Рассчитать зоны поражения при аварии на АЭС и выделить населенные пункты, попадающие в эти зоны”). Второй позволяет рассчитывать пересечение, объединение, исключение и другие сочетания двух и более распределенных объектов (оверлейные операции) при сведении слоёв (рис. 5.6).

Влияние ошибок оцифровывания и сведения слоев

Рис. 7. Влияние ошибок оцифровывания и сведения слоев

Визуализация. Результаты различных операций можно просто отображать на экране или же создавать (рисовать) новые объекты с любыми наборами атрибутивных характеристик. Развитые средства и способы визуализации позволяют ГИС легко управлять отображением данных. Традиционным результатом обработки, анализа и отображения пространственных географических данных является карта, которая дополняется отчетными документами, рельефными цветными изображениями реальных и смоделированных объектов, фотографиями, таблицами, диаграммами, видео клипами развития ситуации и другими мультимедийными средствами.

Кроме указанных базовых операций, современные ГИС имеют достаточно много специальных групп функций, реализующих пользовательские задачи: прокладку оптимального маршрута, поиск кратчайших расстояний, расчетные задачи пространственной статистики, создание моделей геологических структур, морских и воздушных течений и т. д.

Модели географических данных. Для графического представления географических данных, описывающих реальные объекты и их модели в ГИС, используются электронные карты и тематические описания. Параметры местоположения объектов и их отношений есть пространственные (метрические) данные, параметры временных и тематических свойств — атрибутивная (описательная) информация.

В основе моделей данных в ГИС лежит классификатор объектов карты. Он определяет состав и содержание метрических, семантических, тематических, динамических свойств объекта и их изобразительных средств. Система условных обозначений формируется с использованием палитры красок, текстуры линий и заливок, шаблонов знаков и шрифтов. В современных ГИС реализована технология послойного графического представления информации, она соответствует представлению координатных моделей в топологической форме (представление объектов и их связей в виде графа). Атрибутивная информация отображается на слое электронной карты числами, символами и их совокупностями — надписями. Связь координатных и атрибутивных данных устанавливается в БД через соответствующие идентификаторы (по умолчанию или через пользовательский интерфейс). Для представления географических объектов применяются растровые и векторные модели.

Растровая модель — отображение участков поверхности суши и океанов в виде дискретного набора элементов, составляющих нужную картину. Такие элементы называются пикселами (Picture Element), они образуют отображение тематического слоя электронной карты на экране монитора. Каждый пиксел занимает некоторую малую площадь в виде прямоугольника, имеет координаты центра (X,Y) в плоскости слоя карты, связанные с координатами точек географического объекта, и описание его свойств (яркость, цвет и плотность тона), соответствующих аналогичным свойствам объекта.

Растровые цифровые изображения могут быть получены непосредственно при цифровом фотографировании земной поверхности со спутников, либо при обработке аэрокосмических фотографий методами цифрового сканирования с использованием диджитайзеров. Такие изображения хороши для зрительного восприятия и удобны для многоаспектной обработки. Однако они занимают много места в памяти вычислительных устройств и плохо масштабируются — при многократном и многоразовом изменении масштаба, сжатии и дешифровке четкость изображений сильно ухудшается. Поэтому в тех случаях, где заранее оговаривается необходимость масштабирования изображений без потери четкости, применяется технология векторной графики.

Векторная модель — это структурно заданное графическое изображение пространственного объекта. Положение точек объекта задается координатами конца вектора (x,y,z) и описанием свойств этой точки. Отображение объекта задается совокупностью векторов. Так как конец вектора (точка) не имеет площади, то при многократном увеличении или уменьшении изображения объекта (масштабировании) искажения не происходит (рис. 8). Векторная графика оперирует точечными, линейными (дуги и контуры) и площадными (полигонными) моделями пространственных объектов.

Растровая и векторная модели графического изображения пространственного объекта

Рис. 8. Растровая и векторная модели графического изображения пространственного объекта

Допустимы следующие формы векторной модели данных:
цельнополигональная структура (топологическая структура типа “спагетти”);
линейно-узловая (графовая структура);
реляционная (структура отношений);
нерегулярная триангуляционная сеть.

Формирование топологии заключается в определении положения точек и узлов в выбранной системе координат на плоскости или в пространстве (для рельефных изображений) и цифровое кодирование взаимосвязей между точечными, линейными и площадными географическими объектами. В настоящее время применяются объектно-ориентированные модели баз географических данных (например, ArcGIS компании ESRI), формирующие классы объектов, классы отношений, геометрические сети и послойную топологию.

Инструменты реализации и поддержки ГИС

По своему назначению ГИС можно разделить на четыре широкие функциональные категории: простые инструменты составления карт и диаграмм; настольные компьютерные и встроенные ГИС-пакеты широкого применения; полнофункциональные системы; ГИС уровня всего предприятия (корпоративные системы) [Андрианов В., 1999].

Инструменты составления диаграмм данных и картирования. Средства этой категории дешевы и просты в использовании, но по некоторым функциональным возможностям могут быть вполне сравнимы с более сложными системами. Типичными примерами являются инструменты для электронных таблиц, например, Microsoft Map в Excel и Lotus Maps. Эти приложения доступны любому пользователю электронных таблиц MS Excel и Lotus Notes и дают возможность легко использовать функции тематического картирования — отображения на карте географической информации из своей базы данных. Любой менеджер за десять минут научится изготовлять карты, нужные для подготовки принятия делового решения.

Другой простой инструмент, но достаточно функциональный инструмент — Business Map. Он предназначен для пользователей, которым нужно больше, чем просто тематическое картирование. Business Map работает с данными наиболее популярных электронных таблиц и баз данных и поддерживает такие возможности анализа в области бизнеса и управления, как, например, пространственные запросы, управление отображаемым составом карты, определение и связывание координат, почтовых индексов и адресов реальных объектов. К этой же категории относятся и средства просмотра цифровых карт (Viewer Facilities). Для примера, можно привести Geomedia Viewer от Intergraph или бесплатный (Free) ArcExplorer, позволяющий просматривать и запрашивать данные ArcInfo, ArcView и SDE, в том числе и через Internet.

Существенным фактором, ограничивающим широкое использование более сложных ГИС в деловых задачах, является относительная трудность изучения программного обеспечения. Для устранения этого препятствие разработаны развитые пользовательские интерфейсы, дающие обычному пользователю мощные и понятные средства географического анализа.

Настольные компьютерные системы и встроенные ГИС-пакеты. В первой половине 1990-х годов рост продаж ГИС был в немалой степени обусловлен спросом именно на настольные и встроенные ГИС. И если первые системы настольного картографирования (Desktop Mapping) имели ограниченные возможности работы с географическими данными, то современные ГИС, “поставленные” на персональный компьютер или встроенные в состав другого программного средства, предлагает полный набор средств для анализа и управления данными.

К таким продуктам относятся: ArcView, Maplnfo, GeoMedia, GeoGraph/GeoDraw, которые имеют функциональные возможности современных СУБД и предоставляют средства для анализа, интеграции и отображения географических данных. Программный пакет типа ArcView можно, например, использовать для привязки пространственных данных (с помощью спутниковой системы позиционирования GPS или ГЛОНАСС), импортировать данные из других источников (картографические данные и информацию из государственных или корпоративных баз данных), выполнять комплексные статистические и модельные исследования, строить варианты сценариев развития ситуаций, производить в режиме On Line обработку полевых данных, полученных при геодезических съемках местности с лазерными теодолитами.

Рассмотрим кратко две наиболее типичные ГИС этого класса — ArcView и MapInfo.

ArcView имеет средства для выбора, просмотра и редактирования разнообразных географических данных, создания макетов и шаблонов карт с легендами, графиками и диаграммами, оцифровки карт с помощью сканера, связывания объектов карты с атрибутивной информацией в режиме Hot Link (с архивами изображений, полученных мультимедиа-средствами), адресного кодирования, распечатки картографических материалов.

ArcView напрямую работает со многими форматами данных, обеспечивает доступ к стандартным СУБД (Ingres, Sybase, Oracle, Informix), читает файлы форматов DXF и DWG, а также включает следующие функции: вызова удаленных процедур RPC (Unix), связи с другими приложениями через протокол DDE (Windows), подключения приложений на Visual Basic. Имеется также ряд стандартных приложений ArcView для инженерных изысканий, взаимодействия с GPS, SAP R3, представления данных в Internet.

Программный продукт MapInfo Professional (http://www.esti-map.ru) в настоящее время является одним из реальных лидеров ГИС в области цифрового картографирования. В дополнение к традиционным функциям для СУБД такого типа MapInfo позволяет собирать, хранить, отображать, редактировать и обрабатывать картографические данные с учетом пространственных и временных отношений объектов. В одном сеансе работы одновременно могут использоваться данные разных форматов. Источники данных могут быть:

таблицы собственных баз данных MapInfo;

данные в обменных векторных форматах САПР (для встроенных ГИС-приложений) и различных геоинформационных систем: AutoCAD (DXF, DWG), Intergraph/MicroStation Design, ESRI Shape, ARC/INFO Export,

растровые карты в форматах GIF, JPEG, TIFF, PCX, BMP, PSD, ECW, BIL и GRID (GRA, GRD);

данные, полученные с помощью GPS, ГЛОНАСС, электронных геодезических приборов (лазерные теодолиты и дальномеры);

файлы Excel, Access, xBASE, Lotus 1-2-3 и текстовые файлы, в которых кроме атрибутивной (описательной) информации могут храниться географические координаты точечных объектов.

ГИС MapInfo может выступать в роли “картографического клиента” при работе с такими распространенными СУБД, как Oracle и DB2, так как поддерживает эффективный механизм взаимодействия с ними через протокол ODBC. Более того, доступ к данным из СУБД Oracle возможен и через внутренний интерфейс (OCI) этой базы данных.

В MapInfo есть “географическое” расширение встроенного языка запросов SQL, которое позволяет организовывать выборки с учетом пространственных отношений объектов — распределенность, вложенность, перекрытия, пересечения площадей объектов. Запросы к БД можно сохранять в виде шаблонов для дальнейшего использования. В MapInfo есть также возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе различных установленных индексов.

Взаимодействие между Windows-приложениями позволяет интегрировать окно “Карты” MapInfo в программы, написанные на языках Delphi, Visual Basic, C++. Совместное использование MapInfo и среды разработки MapBasic дает возможность каждому пользователю создавать специфические приложения для решения конкретных прикладных задач.

Полнофункциональные системы. Полнофункциональные программные продукты берут начало из крупных государственных проектов 60-х и 70-х годов, которые реализовывались на крупных ЭВМ (Mainframe). Они использовались, в основном, аналитиками и специалистами по зарождающейся геоинформатике и были инструментом поддержки уникальных и специализированных исследований. Такими ГИС могли пользоваться лишь квалифицированные специалисты, понимающие и в программном обеспечении, и в принципах географии, и в проблемах конкретной прикладной области.

Сегодня положение изменилось — современные ГИС-инструменты реализуют методы геоинформатики, используя мощные программно-аппаратные средства: географические Web-серверы открытого доступа, инструменты сложного многофакторного пространственного анализа, устройства для формирования точнейших электронных и подготовки высококачественных бумажных карт.

Полнофункциональные ГИС содержат полный набор средств геопространственной обработки, включая сбор данных, их интеграцию, хранение, автоматическую обработку, редактирование, создание и поддержку топологии, пространственный анализ, связь с СУБД, визуализацию и создание твердых копий любой картографической информации. Система работает как на рабочих станциях под управлением Windows NT, так и RISC-Unix. В дополнение к базовому набору ArcInfo имеется ряд модулей, расширяющих возможности обработки геоданных в различных областях применения.

Корпоративные системы. Корпоративная ГИС — это, как правило, распределенная ИС с рабочими местами, выполненными по технологии “клиент-сервер”. ГИС в рамках предприятия может быть реализована с использованием серверов пространственных данных Spatial Database Engine (SDE), работающих с клиентскими приложениями типа настольных приложений ArcView и ArcInfo. Такие ГИС позволяют оперировать огромными объемами географических и атрибутивных данных и поставлять эти данные любому пользователю локальной или глобальной сети. Кроме того, поскольку серверы пространственных данных обычно реализованы в стандартных реляционных СУБД, они переносятся в большинство сред баз данных. Тем самым, инструменты, подобные SDE и встроенные в КИС могут использоваться, чтобы:

строить быстродействующие ГИС-приложения;

включать сложные функции обработки географических данных в прикладные программы;

поставлять прикладные программы на целом ряде платформ программного обеспечения и оборудования;

увеличивать доступность географических и атрибутивных данных и возможность их обработки и интерпретации для принятия деловых решений;

интегрировать управление географическими данными в существующие корпоративные системы управления базами данных.

Такие приложения наиболее важны для компаний, которые управляют большими инфраструктурами или инженерными коммуникациями (например, сетями энергоснабжения), работают в сфере транспорта и перевозок или занимаются разработкой природных ресурсов — ведущие нефтяные и газовые компании повсеместно используют ГИС, чтобы управлять изысканиями, производством и распределением ресурсов.

ГИС корпоративного типа тесно связана с рядом других типов информационных систем — с системами автоматического проектирования (Computer Aided Design — CAD), модулями систем управления деятельностью предприятия (Enterprise Resource Planning — ERP), системами управления перевозками и поставками (Logistic and Supply Chain Management — LSCM). Ее основное отличие заключается в способности, собирать, обрабатывать, манипулировать пространственными данными и проводить квалифицированный анализ.

Широкую известность в кругах специалистов в области геоинформатики, приобрела свободно распространяемая под лицензией GNU Public License геоинформационная система GRASS — Geographic Resources Analysis Support System разработка, модернизация и техническое сопровождение которой, ведется международной командой разработчиков. В текущей версии GRASS представляет собой модульную многофункциональную геоинформационную систему универсального применения [http://grass.itc.it/].

На интерфейс системы накладывает определенный отпечаток изначальная ориентация GRASS на Unix-системы, охарактеризовать примененное решение можно как сочетание командного и оконного интерфейсов. Причем общая концепция интерфейса угадывается в версиях под различные платформы. Помимо стандартного графического интерфейса пользователя возможно применение различных оболочек GUI, например, широко известная оболочка QGIS для ядра GRASS. Существует также Java-версия системы GRASS — JAVAGRASS, которая обеспечивает уникальную межплатформенность. Всё это обеспечило успех и широкую применимость этой геоинформационной системы.

Связанные технологии: GIS, GPS и ГЛОНАСС

Системы управления базами данных ГИС предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. Эти данные получены чаще всего методами пространственного дистанционного зондирования — проведения измерений координат объектов на земной поверхности с использованием лазерных дальномеров на земных пунктах наблюдения и отражателей, расположенных борту искусственных спутников Земли (ИСЗ). Используются также приемники системы глобального позиционирования и другие радиометрические устройства, работающие на измерении эффекта Доплера. Эти устройства собирают данные в виде наборов координат или изображений (преимущественно цифровых) и обеспечивают широкие возможности обработки, анализа и визуализации полученных данных.

Разработки концепции NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) начались в 1973 году по инициативе Министерства обороны США. Самые современные на тот момент радионавигационные системы — наземные Loran-C и Omega и спутниковая Transit — перестали удовлетворять требованиям в отношении точности, всепогодности, круглосуточной работы и зоны охвата. В феврале 1978 года был запущен первый экспериментальный спутник GPS. К середине 1993 года на орбитах находились уже 24 спутника, что было достаточно для обеспечения непрерывной навигации в любой точке Земли. Об окончательном вводе системы в эксплуатацию объявили только в июле 1995 года

Система GPS состоит из трех частей: космической, наземной и пользовательского оборудования.

Космическая часть — это 24 спутника, движущихся по шести орбитам. Наклон орбит к земному экватору — 55 градусов, угол между плоскостями орбит — 60 градусов. Высота орбит 20180 км, период обращения — 12 ч. Мощность спутникового передатчика 50 Вт. Если один из них вышел из строя, то остальные способны, передвигаясь на орбитах, заполнять бреши в системе. Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом, которые задают бортовую шкалу времени. Эти шкалы постоянно синхронизируются с наземными высокоточными стандартами времени. Каждый спутник идентифицируется номером (Pseudo Random Number — PRN), который отображается на приемнике GPS.

Наземная часть состоит из 4 станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию управления и контроля на авиабазе в Колорадо-Спрингс для обработки на сложных программных моделях орбит, которые называются эфемеридами. Через наземные станции данные передаются обратно на спутники, а затем спутник передает их пользовательским приемникам GPS.

Пользовательская часть включает в себя приемник сигналов со спутника, дешифратор и программный модуль для вычисления координат объекта, на котором находится приемник. Точность определения координат зависит от многих факторов — точности передающих и принимающих устройств, бортовых и наземных шкал времени, состояния ионосферы и тропосферы, солнечной активности, влажности и давления в атмосфере, но, прежде всего, от геометрии расположения спутников в поле зрения приёмной антенны (рис. 5.9). Измеряя расстояния (псевдодальности) r1 и r2 дальнометрическими или радиометрическими способами для нескольких спутников и уравнивая их методами спутниковой геодезии, можно получить координаты наземных пунктов слежения и поправки к элементам орбит спутников.

Геометрия расположения спутников в поле зрения приемной антенны

Рис. 9. Геометрия расположения спутников в поле зрения приемной антенны

Спутниковая геометрия измеряется фактором PDP (Position Dilution of Precision) Идеальному расположению спутников соответствует PDP=1, большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии. Значение PDP используется как множитель для других ошибок при уравнивании наблюдений. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, отраженного сигнала и т.д. Так, если предполагаемые значения этих ошибок в сумме составляют около 50 метров и PDOP =1.5, то ожидаемая ошибка определения места будет 75 метров. Если приемник “поймал” четыре спутника, и все они находятся близко к зениту места наблюдения, то такая спутниковая геометрия “плохая” и ошибка результата составит 90-150 метров. С теми же 4-мя спутниками точность намного возрастает, если они расположены равномерно по сторонам горизонта на высоте от 20 до 50 градусов дуги. В этом случае точность достигает 30 метров, что составляет примерно 1 секунду дуги — а это уже неплохая точность.

Современные стационарные GPS обеспечивают при обработке пространственных данных в ГИС точность положений до нескольких долей секунды и точность определения расстояний — до нескольких миллиметров. Понятно, что такая точность нужна для научных и оборонных прикладных задач. Авиационные и морские GPS, устанавливаемые на самолетах и судах, обеспечивают точность до 1 метра, для непрофессионального использования в настоящее время вполне хватает точности в несколько метров. Такие GPS- устройства монтируются в мобильные телефоны, в системы автомобильной навигации и т.д. Окончательная погрешность работы системы {GPS — GIS — электронная карта} будет зависеть от точности каждого элемента системы. Нелишне будет упомянуть, что координатные системы карт — такие как, например, Map Datum — связаны с разными моделями земного эллипсоида, используемыми при построении карт в различных странах. Разница между ними может достигать 500 м. При работе с GPS и электронной картой пользователь должен учитывать это и делать соответствующие поправки.

В России в настоящее время развертывается глобальная навигационная спутниковой система (ГЛОНАСС), аналогичная американской GPS и работающая на тех же принципах. Разница состоит в системах кодирования и дешифровки сигналов и в алгоритмах обработки пространственных данных.

Возможности “облачных” технологий

Классический подход к автоматизации бизнес-процессов, сложивший в период 2000-2010 годов, означает, что организация должна обладать пулом серверного оборудования для предоставления сервисов для информационного обеспечения и надежной защиты её основных процессов. Очевидно, что для такой инфраструктуры необходимы дорогостоящие серверы и сетевое оборудование, включающее маршрутизаторы и файерволлы для обеспечения безопасности, а также клиентские станции для пользователей услуг и соответствующее программное обеспечение. Очевидно также, что многие организации, особенно в сфере малого и среднего бизнеса, не могут позволить себе такой подход к организации информационной инфраструктуры.

Тенденция последних пяти лет, ознаменовавшихся повсеместным распространением облачных сервисов и облачных способов хранения и обработки данных, открывает новые возможности для автоматизации и сопровождения бизнес-процессов.

Облачные вычисления (Cloud Computing) — это модель обеспечения сетевого доступа по требованию к пулу конфигурируемых вычислительных и информационных ресурсов, например, сетям передачи данных, серверам, устройствам хранения данных, приложениям и сервисам.

Такой подход предоставляет массу удобств пользователям, сокращает время ожидания и доступа к ресурсу, делает пользователя независимым в выборе ресурсов. Однако появляется и ряд новых проблем. Не все требуемые сервисы удастся в ближайшие годы перенести в облака. Есть ряд ограничений, которые пока не удаётся обойти. Требование к ширине канала передачи данных, к защите и шифрованию данных, отсутствие возможности работы в виртуальной среде и среде гипервизора — список можно продолжать.

Именно поэтому в настоящее время активно развивается новый подход к организации данных и работе с ними, на основе которого проектируются гибридные системы для информационного обеспечения процессов организации. В частности, предлагается постепенно, в ходе модернизации, перестраивать существующую информационную инфраструктуру, в инфраструктуру, построенную по принципу частного облака.

Это позволяет получить результат в виде быстрой миграции между публичным и частным облаком. Например, сегодня очень востребованы технологии совместной, распределённой работы. Одним из инструментов, позволяющим организовать такую работу, является корпоративный или образовательный портал. Портал MS SharePoint позволяет организовать распределённую работу. Если инфраструктура будет построена по принципу частного облака, то для этого потребуется всего лишь копирование виртуальных машин в публичное облако. В случае классического подхода к формированию информационной инфраструктуры, проект миграции включал бы в себя развёртывание новой инфраструктуры и перенос старых данных в новую среду, что является достаточно трудоёмким проектом.

Такое решение может быть эффективно интегрировано с существующей сетью организации. Оно может быть реализовано в среде гипервизора, что позволяет эффективно управлять кластером виртуальных машин, при потребности переносить их в облако, например на платформу Windows Azure.

Гибридный подход к проектированию ИТ-инфраструктуры

Рис. 10. Гибридный подход к проектированию ИТ-инфраструктуры

Таким образом, уже сегодня возможно построение гибридного решения — портала на корпративном сервере и рабочих приложений и массивов данных в частном облаке, с возможностью масштабирования в публичное облако, используя предложенную нами методику.

Гибридный подход к формированию информационной инфраструктуры — подход, при котором часть ресурсов, для которых это целесообразно, выносится в публичное облако, а часть наиболее критических, бизнес-значимых сервисов остаются в пределах информационной инфраструктуры компании (рис. 5.10).

Такая информационная инфраструктура должна строиться по принципам частного облака, используя технологии виртуализации, для обеспечения возможности миграции сервисов, при необходимости, в оба направления. При использовании такого подхода, сервисы следует проектировать на основе одинаковых принципов, для организации единых подходов к обеспечению информационной безопасности.

Для обеспечения безопасной работы при формировании гибридной инфраструктуры следует придерживаться следующих основных правил:

контроль строгого соблюдения политик информационной безопасности в распределенных частях организации;

допуск к настройке сервисов в облаке или гибридном решении только профессионалов;

согласование локальных политик и гарантий безопасности на уровне пользователей, сетевых провайдеров и владельцев сервисов;

дополнительное сохранение данных локально, там, где это возможно;

учёт значимости конкретного информационного ресурса предприятия для бизнеса в целом;

учёт новых угроз при переносе любого контента во внешние сервисы.

Подход частного облака для организации инфраструктуры внутри компании, позволит обеспечить высокую доступность и отказоустойчивость таких сервисов, используя технологии виртуализации. С одной стороны, решение остаётся безопасным, с другой стороны, становится эффективным и масштабируемым. Проектируемая инфраструктура становится распределённой, что при грамотной её организации, снижает риски для предприятий в случае возникновения каких-либо чрезвычайных ситуаций.





ВИДЕО-МАТЕРИАЛЫ (включая решения в области ГИС)