КАЗБЕКОВА Т.М.

преподаватель кафедры АСУ Военно-инженерного

института радиоэлектроники и связи МО РК города

Алматы

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Наиболее актуальный в ближайшее время является задача широкого

распространения ГИС в муниципальном хозяйстве в будущем специалист не

сможет эффективно работать без программного обеспечения, в том числе и

ГИС.

Для

работы

с

ГИС,

необходим

определенный

уровень

начальный

уровень знаний и навыков.

ГИС

-

это

набор

инструментов,

наиболее

удобного

для

человека,

представления информации об объектах реального мира в том числе по

инженерным сетям. В данной области географические данные составляют

большую часть информации.

По

оценкам

экспертов

использование

графической

информации

в

сложных задачах уменьшает затраты на принятия решений в среднем в 4-8

раз по сравнению с традиционным способом. ГИС понимает концепцию

местоположения т.к. базируется на информации привязанной к координатам

на карте и позволяет представить ее в графическом виде для интерпретации и

принятия решения по управлению.

ГИС

-

это

набор

программных

инструментов

для

ввода,

хранения,

манипулирования, анализа и отображения графической информации в этом

смысле ГИС — это гибрид средств автоматизации проектирования (САПР),

цифровой картографии и баз данных.

Для предварительного рассмотрения, ГИС — это компьютерная система,

для

сбора,

проверки

интеграции

и

анализа

информаций

относящейся

к

земной

поверхности,

основное

отличие

продвинутых

ГИС

от

просто

цифровой картографии не просто наличие атрибутивной информации, но и

возможность

анализа

этой

информации.

Во

многих

случаях

ГИС

используется совместно с графическими редакторами и САПР.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИС

В

настоящее

время

в

соответствии

с

требованиями

новых

информационных технологий создаются и функционируют многие системы

управления,

связанные

с

необходимостью

отображения

информации

на

электронной карте:

геоинформационные системы;

системы федерального и муниципального управления;

системы проектирования;

системы военного назначения и т.д.

Эти

системы

управления

регулируют

деятельность

технических

и

социальных

систем,

функционирующих

в

некотором

операционном

пространстве (географическом, экономическом и т.п.) с явно выраженной

пространственной природой.

Геоинформационная

система

( Г И С ,

т а к ж е

г е о г р а ф и ч е с к а я

информационная система) — информационная система, предназначенная для

сбора,

хранения,

анализа

и

графической

визуализации

пространственных

данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах.

Термин также используется в более узком смысле — ГИС как инструмент

(программный

продукт),

позволяющий

пользователям

искать,

а н а л и з и р о в ат ь

и

редактировать

цифровые

карты,

а

также

дополнительную

и н ф о р м а ц и ю

о б

объектах,

например

в ы с о т у

з д а н и я ,

адрес, количество жильцов.

ГИС включают в себя возможности систем управления базами данных

(СУБД), редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств

и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве,

экологии,

муниципальном

управлении,

транспорте,

экономике,

обороне

и

многих других областях.

По территориальному охвату различают:

-

глобальные ГИС (global GIS),

-

субконтинентальные ГИС,

-

национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных,

-

региональные ГИС (regional GIS),

-

субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

ГИС

различаются

предметной

областью

информационного

моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС,

природоохранные ГИС и т. п.; среди них особое наименование, как особо

широко распространённые, получили земельные информационные системы.

Проблемная

ориентация

ГИС

определяется

решаемыми

в

ней

задачами

(научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе

кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка

принятия

решений.

Интегрированные

ГИС,

ИГИС

совмещают

функциональные

возможности

ГИС

и

систем

цифровой

обработки

изображений

(данных

дистанционного

зондирования)

в

единой

интегрированной среде.

Поли

масштабные,

или

масштабно-независимые

ГИС

основаны

на

множественных, или поли масштабных представлениях пространственных

объектов, обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение

данных

на

любом

из

избранных

уровней

масштабного

ряда

на

основе

единственного

набора

данных

с

наибольшим

пространственным

р а з р е ш е н и е м .

П р о с т р а н с т в е н н о - в р е м е н н ы е

Г И С

о п е р и р у ю т

пространственно-временными

данными.

Реализация

геоинформационных

проектов, создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: пред

проектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и

функциональных возможностей используемых программных средств ГИС,

т е х н и ко - э ко н ом и ч е с ко е

о б о с н о в а н и е ,

о ц е н к у

с о о т н о ш е н и я

«затраты/прибыль»; системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-

проекта, разработку ГИС; её тестирование на небольшом территориальном

фрагменте, или тестовом участке, прототипирование, или создание опытного

образца, или прототипа; внедрение ГИС; эксплуатацию и использование.

Научные,

технические,

технологические

и

прикладные

аспекты

про ектирования,

создания

и

использования

ГИС

и зу ч а ю т с я

геоинформатикой.

Краткая история развития ГИС

Начальный период (поздние 1950е — ранние 1970е гг.)

Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей

знаний

и

технологий,

наработка

эмпирического

опыта,

первые

крупные

проекты и теоретические работы позволили развиваться такому направлению,

как геоинформационные технологии.

Го сударственная

поддержка

ГИС

стимулировала

р а з в и т и е

экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз

данных по уличным сетям:

-

Автоматизированные системы навигации.

-

Системы вывоза городских отходов и мусора.

-

Движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т. д.

-

Период

коммерческого

развития

(ранние

1980е

—

настоящее

время)

Широкий

рынок

разнообразных

программных

средств,

развитие

настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с

базами

непространственных

данных,

появление

сетевых

приложений,

появление

значительного

числа

непрофессиональных

пользователей,

системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных

компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и

распределенные базы геоданных.

Пользовательский период (поздние 1980е — настоящее время)

Повышенная

конкуренция

среди

коммерческих

производителей

геоинформационных

технологий

услуг

дает

преимущества

пользователям

ГИС,

доступность

и

«открытость»

программных

средств

позволяет

использовать

и

даже

модифицировать

программы,

п оя вл е н и е

пользовательских «клубов», телеконференций, территориально разобщенных,

но

связанных

единой

тематикой

пользовательских

групп,

возросшая

п о т р е б н о с т ь

в

г е од а н н ы х ,

н ач а л о

ф о р м и р о в а н и я

м и р о в о й

геоинформационной инфраструктуры. Морфометрический анализ рельефа на

основе ГИС-технологий новое направление в этой области.

Графическое представление какой-либо ситуации на экране компьютера

подразумевает

отображение

различных

графиче ских

о б р а з о в .

Сформированный

на

экране

ЭВМ

графический

образ

состоит

из

двух

различных с точки зрения среды хранения частей - графической «подложки»

или графического фона и других графических объектов. По отношению к

этим

другим

графическим

образам

«образ-подложка»

являет ся

«площадным», или пространственным двухмерным изображением. Основной

проблемой

при

реализации

геоинформационных

приложений

является

трудность формализованного описания конкретной предметной области и ее

отображения на электронной карте.

Таким

образом,

геоинформационные

технологии

предназначены

для

широкого

внедрения

в

практику

методов

и

средств

работы

с

пространственно-временными данными, представляемыми в виде системы

электронных

карт,

и

предметно-ориентированных

сред

обработки

разнородной информации для различных категорий пользователей.

Основным классом данных геоинформационных систем (ГИС) являются

координатные

данные,

содержащие

геометрическую

информацию

и

отражающие

пространственный

аспект.

Основные

типы

координатных

данных:

точка

(узлы,

вершины),

линия

(незамкнутая),

контур

(замкнутая

линия),

полигон

(ареал,

район).

На

практике

для

построения

реальных

объектов

используют

большее

число

данных

(например,

висячий

узел,

псевдоузел, нормальный узел, покрытие, слой и др.). На рис. 1 показаны

основные из рассмотренных элементов координатных данных.

Рассмотренные

типы

данных

имеют

большее

число

разнообразных

связей, которые можно условно разделить на три группы:

-

взаимосвязи

для

построения

сложных

объектов

из

простых

элементов;

-

взаимосвязи, вычисляемые по координатам объектов;

-

взаимосвязи, определяемые с помощью специального описания и

семантики при вводе данных.

Важным

моментом

при

проектировании

ГИС

является

размерность

модели. Применяют двухмерные модели координат (2D) и трехмерные (ЗD).

Двухмерные модели используются при построении карт, а трехмерные - при

моделировании

геологических

процессов,

проектировании

инженерных

сооружений (плотин, водохранилищ, карьеров и др.), моделировании потоков

газов

и

жидкостей.

Существуют

два

типа

трехмерных

моделей:

псевдотрехмерные,

когда

фиксируется

третья

координата

и

истинные

трехмерные.

Назначение ГИС

Большинство современных ГИС осуществляет комплексную обработку

информации:

- сбор первичных данных;

- накопление и хранение информации;

- различные

виды

моделирования

(семантическое,

имитационное,

геометрическое, эвристическое);

- автоматизированное проектирование;

- документационное обеспечение.

- Основные области использования ГИС:

- электронные карты;

- городское хозяйство;

- государственный земельный кадастр;

- экология;

- дистанционное зондирование;

- экономика;

- специальные системы военного назначения.

Геоинформационные

технологии

-

технологическая

основа

создания

географических

информационных

систем,

позволяющая

реализовать

их

функциональные возможности.

Географическая информационная система - информационная система,

обеспечивающая

сбор,

хранение,

обработку,

доступ,

отображение

и

распро странение

про странственно-координированных

д а н н ы х

(пространственных данных).

ГИС

предназначены

для

решения

научных

и

прикладных

задач

инвентаризации,

анализа,

оценки,

прогноза

и

управления

окружающей

средой и территориальной организацией общества.

Основу

ГИС

составляют

автоматизированные

картографические

системы,

а

главными

источниками

информации

служат

различные

геоизображения.

Электронная

карта

-

программно-управляемое

картографическое

изображение,

визуализированное

с

использованием

программных

и

технических средств в принятой для карт проекции и системе условных

знаков. Электронная карта строится на основе данных цифровых карт или баз

данных ГИС.

Компьютерная карта - карта, полученная на устройстве графического

вывода с помощью средств автоматизированного картографирования или с

помощью геоинформационной системы.

Цифровая

карта

-

цифровая

модель

поверхности,

сформированная

с

учетом

законов

картографической

генерализации

в

принятых

для

карт

проекциях, системе координат и высот.

Источники данных

В качестве источников данных для формирования ГИС служат:

- картографические материалы (топографические и общегеографические

карты,

карты

административно-территориального

деления,

кадастровые

планы

и

др.).

Сведения,

получаемые

с

карт,

имеют

территориальную

привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС.

Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда

графические

оригиналы карт преобразуются в цифровой вид.

- данные дистанционного зондирования (ДДЗ) все шире используются

для

формирования

баз

данных

ГИС.

К

ДДЗ,

прежде

всего,

относят

материалы,

получаемые

с

космических

носителей.

Для

дистанционного

зондирования применяют разнообразные технологии получения изображений

и

передачи

их

на

Землю,

носители

съемочной

аппаратуры

(космические

аппараты

и

спутники)

размещают

на

разных

орбитах,

оснащают

разной

аппаратурой.

Благодаря

этому

получают

снимки,

отличающиеся

разным

уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в

разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой

инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр

экологических задач, решаемых с применением ДДЗ.

К методам дистанционного зондирования относятся и аэро- и наземные

съемки, и другие неконтактные методы, например, гидроакустические съемки

рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как

количественной,

так

и

качественной

информации

о

различных

объектах

природной среды.

-

результаты

полевых

обследований

территорий,

включают

геодезические измерения природных объектов, выполняемые нивелирами,

теодолитами,

электронными

тахеометрами,

GPS

приемниками,

а

также

результаты

обследования

территорий

с

применением

геоботанических

и

других методов, например, исследования по перемещению животных, анализ

почв и др.

-

статистические

данные

содержат

данные

государственных

статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а

также

данные

стационарных

измерительных

постов

наблюдений

(гидрологические

и

метеорологические

данные,

сведения

о

загрязнении

окружающей среды и т. д)).

-

литературные данные (справочные издания, книги, монографии и

статьи,

содержащие

разнообразные

сведения

по

отдельным

типам

географических объектов).

В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это

сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

Требования к компонентам ГИС

Требования

к

компонентам

ГИС

определяются,

в

первую

очередь,

пользователем,

перед

которым

стоит

конкретная

задача

(учет

природных

ресурсов, либо управление инфраструктурой города), которая должна быть

решена

для

определенной

территории,

отличающейся

природными

условиями и степенью ее освоения.

Технические средства – это комплекс аппаратных средств, применяемых

при функционировании ГИС: рабочая станция или персональный компьютер

(ПК),

устройства

ввода-вывода

информации,

устройства

обработки

и

хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая

станция

или

ПК

являются

ядром

любой

информационной

системы

и

предназначены

для

управления

работой

ГИС

и

выполнения

процессов

обработки

данных,

основанных

на

вычислительных

или

логических

операциях.

Современные

ГИС

способны

оперативно

обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты.

Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и

методов:

непосредственно

с

клавиатуры,

с

помощью

дигитайзера

или

сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные

могут

быть

получены

электронными

геодезическими

приборами,

непосредственно

с

помощью

дигитайзера

и

сканера,

электронными

геодезическими рентген-анализ почв и др., либо по результатам обработки

снимков на аналитических фотограмметрических приборах или цифровых

фотограмметрических станциях.

Устройства

для

обработки

и

хранения

данных

сконцентрированы

в

системном блоке, включающем в себя центральный процессор, оперативную

память, внешние запоминающие устройства и пользовательский интерфейс.

Устройства

вывода

данных

должны

обеспечивать

наглядное

представление

результатов,

прежде

всего

на

мониторе,

а

также

в

виде

графических

оригиналов,

получаемых

на

принтере

или

плоттере

(графопостроителе), кроме того, обязательна реализация экспорта данных во

внешние системы.

Программное обеспечение

Программные

средства

–

совокупность

программных

средств,

реализующих

функциональные

возможностей

ГИС,

и

программных

документов, необходимых при их эксплуатации.

Структурно

программное

обеспечение

ГИС

включает

базовые

и

прикладные программные средства.

Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС),

программные

среды,

сетевое

программное

обеспечение

и

системы

управления

базами

данных.

Операционные

системы

предназначены

для

управления ресурсами ЭВМ и процессами, использующими эти ресурсы. На

настоящее время основные ОС: Windows и Unix.

Л ю б а я

Г И С

р а б от а е т

с

д а н н ы м и

д ву х

т и п о в

д а н н ы х

-

пространственными

и

атрибутивными,

следовательно,

программное

обеспечение

должно

включить

систему

управления

базами

тех

и

других

данных (СУБД), а также модули управления средствами

ввода и вывода

данных,

систему

визуализации

данных

и

модули

для

выполнения

пространственного анализа.

Прикладные программные средства предназначены для решения для

специализированных задач в конкретной предметной области и реализуются

в

виде

отдельных

модулей

(приложений)

и

утилит

(вспомогательных

средств).

Информационное обеспечение

Информационное обеспечение -

совокупность массивов информации,

систем

кодирования

и

классификации

информации.

Информационное

обеспечение

составляют

реализованные

решения

по

видам,

объемам,

размещению и формам организации информации, включая поиск и оценку

источников

данных,

набор

методов

ввода

данных,

проектирование

баз

данных,

их

ведение

и

метасопровождение.

Особенность

хранения

пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная

организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления

слоями,

позволяет

объединить

и

отобразить

гораздо

большее

количество

информации, чем на обычной карте. Данные о пространственном положении

(географические

данные)

и

связанные

с

ними

табличные

могут

подготавливаться

самим

пользователем

либо

приобретаться.

Для

такого

обмена данными важна инфраструктура пространственных данных.

Инфраструктура пространственных данных определяется нормативно-

правовыми

документами,

механизмами

организации

и

интеграции

пространственных данных, а также их доступность разным пользователям.

Инфраструктура

пространственных

данных

включает

три

необходимых

компонента:

базовую

пространственную

информацию,

стандартизацию

пространственных данных, базы метаданных и механизм обмена данными.

Форматы данных

Форматы данных определяют способ хранения информации на жестком

диске, а также механизм ее обработки. Модели данных и форматы данных

определенным способом взаимосвязаны.

Существует большое количество форматов данных. Можно отметить,

что во многих ГИС поддерживаются основные форматы хранения растровых

данных (TIFF, JPEG, GIF, BMP, WMF, PCX), а также GeoSpot, GeoTIFF,

позволяющие передавать информацию о привязке растрового изображения к

реальным географическим координатам, и MrSID - для сжатия информации.

Наиболее распространенным среди векторных форматов является - DXF.

Все

системы

поддерживают

обмен

пространственной

информацией

(экспорт и импорт) со многими ГИС и САПР через основные обменные

форматы: SHP, E00, GEN (ESRI), VEC (IDRISI), MIF (MapInfo Corp.), DWG,

DXF (Autodesk), WMF (Microsoft), DGN (Bentley).

Только некоторые, в

основном

отечественные

системы,

поддерживают

российские

обменные

форматы – F1M (Роскартография), SXF (Военно-топографическая служба).

Довольно

часто

для

эффективной

реализации

одних

компьютерных

операций

предпочитают

векторный

формат,

а

для

других

растровый.

Поэтому, в некоторых системах реализуются возможности манипулирования

данными в том и в другом формате, и функции преобразования векторного в

растровый, и наоборот, растрового в векторный форматы.

Базы данных и управление ими

Совокупность цифровых данных о пространственных объектах образует

множество пространственных данных и составляет содержание баз данных.

Создание

БД

и

обращение

к

ней

(по

запросам)

осуществляется

с

помощью системы управления базами данных (СУБД).

Логическая структура элементов базы данных определяется выбранной

моделью

БД.

Наиболее

распространенными

моделями

БД

являются

иерархические, сетевые и реляционные и объектно-ориентированные.

Иерархические модели представляют древовидную структуру, в этом

случае каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более

высоком уровне.

Такая

система

хорошо

иллюстрируется

системой

классификации

растений и животных. Примером может также служить структура хранения

информации

на

дисках

ПК.

Главное

понятие

такой

модели

уровень.

Количество уровней и их состав зависит от принятой при создании БД

классификации.

Доступ

к

любой

из

этих

записей

осуществляется

путем

прохода по строго определенной цепочке узлов. При такой структуре легко

осуществлять поиск нужных данных, но если изначально описание неполное,

или

не

предусмотрен

какой

либо

критерий

поиска,

то

он

становится

невозможным. Для достаточно простых задач такая система эффективна, но

она

практически

непригодна

для

использования

в

сложных

системах

с

оперативной обработкой запросов.

Сетевые модели были призваны устранить некоторые из недостатков

иерархических моделей. В сетевой модели каждая запись в каждом узле сети

может быть связана с несколькими другими узлами. Записи, входящие в

состав

сетевой

структуры,

содержат

в

себе

указатели,

определяющие

местоположение других записей, связанных с ними. Такая модель позволяет

ускорить

доступ

к

данным,

но

изменение

структуры

базы

требует

значительных усилий и времени.

Реляционные модели собирают данные в унифицированные таблицы.

Таблице присваивается уникальное имя внутри БД. Каждый столбец - это

поле,

имеющее

имя,

соответствующее

содержащемуся

в

нем

атрибуту.

Каждая строка в таблице соответствует записи в файле. Одно и тоже поле

может присутствовать в нескольких таблицах. Так как строки в таблице не

упорядочены,

то

определяется

один

или

несколько

столбцов,

значения

которых

однозначно

идентифицируют

каждую

строку.

Такой

столбец

называется

первичным

ключом.

Взаимосвязь

таблиц

поддерживается

внешними

ключами.

Манипулирование

данными

осуществляется

при

помощи

операций,

порождающих

таблицы.

Пользователь

может

легко

заносить в базу новые данные, комбинировать таблицы, выбирая отдельные

поля и записи, и формировать новые таблицы для отображения на экране.

Объектно-ориентированные

модели

применяют,

если

геометрия

определенного объекта способна охватывать несколько слоев, атрибуты таких

объектов могут наследоваться, для их обработки применяют специфические

методы.

Для

обработки

данных,

размещенных

в

таблицах

необходимы

дополнительные сведения о данных, их называют метаданными.

Метаданные - данные о данных: каталоги, справочники, реестры и иные

формы описания наборов цифровых данных.

ЛИТЕРАТУРА

1.

Браун

Л.

А.

История

географических

карт

[Текст].

Москва:

Центрполиграф,

2006.

—

479

с.

ISBN

5-9524-2339-6

[История

ГИС

от

древности до ХХ века].

2.

Демерс, Майкл Н. Географические информационные системы [Текст].:

пер. с анг. – М.: Дата +, 1999

3.

Журкин И. Г., Шайтура С. В. Геоинформационные системы [Текст]. —

Москва: КУДИЦ-ПРЕСС, 2009. — 272 с. ISBN 978-5-91136-065-8

4.

Карпик

А.П.

Методологические

и

технологические

основы

геоинформационного

обеспечения

территорий

[Текст]:

Монография.

–

Новосибирск: СГГА, 2004. – 260 с.

5.

Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС [Текст]: Учебное

пособие – М.: ГИС-Ассоциация, 1997. - 160с.

6.

Основы геоинформатики: В 2кн [Текст]: Учебное пособие для вузов

/Е.Г.Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов и др. – М.: Академия, 2010

7.

Т р и ф о н о в а

Т. А . ,

М и щ е н ко

Н . В . ,

К р а с н о щ е ко в

А . Н .

Геоинформационные

системы

и

дистанционное

зондирование

в

экологических исследованиях [Текст]. – М.:, УМО РФ, 2005. - 349с.