Первые геоинформационные системы были созданы в США и Канаде в конце 60-х годов XX в. К концу 70-х годов в США насчитывалось уже до 60-ти эксплуатируемых геоинформационных систем различного назначения. Постепенно геоинформационные системы становятся настолько важным направлением научных и практических работ, что во многих странах их планирование и разработка осуществляются на государственном уровне. В 80-е годы практически во всех промышленно развитых странах возникло понимание необходимости крупных капиталовложений в эту стратегически важную и быстро развивающуюся новую область информатики. Работы по геоинформационным системам ведутся, например, в Великобритании, Японии, Германии, Швеции, Норвегии и даже в Китае.
Первые эффективные и мощные геоинформационные системы были созданы в недрах военно-промышленного комплекса США. Практический опыт, накопленный при эксплуатации ГИС в военной области, сейчас успешно используется и вне военной сферы для управления ресурсами, экономикой и для планирования. Общепризнанными мировыми лидерами в области геоинформационных систем являются фирма INTERGRAPH и институт ESRI (Environmental Systems Research Institute Inc.) в США, разработки которых в настоящее время стали, фактически, эталонным подходом к проблематике геоинформационных систем. Фирма INTERGRAPH существует около 25 лет. За это время она выполнила, в частности, заказы следующих организаций:
- картографического управления МО США,
- ВВС США,
- армии США.
Что касается гражданских работ, то здесь фирма INTERGRAPH специализируется в следующих направлениях:
- картировании для государственных органов,
- землепользовании,
- муниципальных системах,
- энергоснабжении,
- разведке природных месторождений,
- телефонии.
Годовые объемы продаж программного обеспечения и технических средств, производимых фирмой, оцениваются в сотни миллионов долларов.
По аналогичным направлениям работает институт ESRI. ВВС США имеют контракты с ESRI на поставку программных средств, обеспечивающих привязку шахт пусковых установок межконтинентальных баллистических ракет стратегического назначения, а также программных средств для навигации самолетов. В отличие от фирмы INTERGRAPH институт ESRI не занимается производством аппаратного обеспечения, и его программные продукты функционируют на стандартных технических средствах. Объемы продаж программных средств фирмой INTERGRAPH (без аппаратного обеспечения) и институтом ESRI сравнимы с объемами продаж для графических станций. Если же говорить о PC-совместимых ПЭВМ, то здесь несомненным мировым лидером является институт ESRI, а фирма INTER-GRAPH занимает только 4-е место.
Особенно бурными темпами технология геоинформационных систем стала развиваться с 1987 года. Это можно объяснить следующими причинами:
- накоплением огромного объема геоинформации;
- достижениями в технической области, например переходом на гигабайтовые и терабайтовые накопители информации;
- научными достижениями в области геоинформационных систем;
- наличием положительного мирового опыта, свидетельствующего об эффективности инвестиций в геоинформационных системах.
По западным оценкам количество действующих геоинформационных систем после 2000 года может достигнуть 15-ти миллионов. Россия также не осталась в стороне от этого процесса. Сейчас мы наблюдаем стремительное продвижение геоинформационных технологий, осознание того факта, что многие проблемы управления территорией (городом, областью и т. п.) связаны с географической информацией и что естественным путем их решения является применение концепции геоинформационных систем. Этому же процессу способствует и постепенный переход на рыночную экономику, и возникающие в связи с этим новые вопросы собственности (в частности, на землю), конверсия, проводимая в ВПК, более свободный обмен научными идеями и техническими достижениями с развитыми странами Запада. Конверсия способствовала быстрому росту в гражданском секторе отечественных организаций, предлагающих свои услуги для внедрения геоинформационных технологий различного назначения.
Геоинформационная система (географическая информационная система) - это интегрированная сумма компьютерных технологий для управления ресурсами территорий путем ввода, обработки, хранения, передачи, анализа и представления взаимозависимых географических и алфавитно-цифровых данных [11].
Геоинформационная система - это инструмент для принятия решений в области управления и экономики, это средство планирования и развития. Геоинформационная система предоставляет единую пространственную систему отсчета для накопленных и вновь вводимых данных, обеспечивая при этом интеграцию графических и алфавитно-цифровых данных.
Попытаемся осветить некоторые программные и технические аспекты проблематики геоинформационных систем. Специализированные программные средства (поставляемые как продукт), используемые для разработки и функционирования геоинформационных систем, будем называть ГИС-продуктами. В настоящее время их количество в мире достигает 300-т. Кроме того, сложившейся практикой считается применение в области геоинформационных систем различных элементов современных информационных технологий:
- операционных систем;
- концепций открытой системы;
- коммуникационных протоколов;
- графического пользовательского интерфейса;
- реляционных СУБД с языком запросов SQL;
- графических БД;
- стандартных растровых и векторных форматов графических данных.
Как правило, ГИС-продукты имеют модульную структуру и ясный интерфейс между модулями, что позволяет постепенно наращивать программные мощности эксплуатируемой системы.
Вторым важным свойством ГИС-продуктов является их многоплатформенность, т.е. реализация на различных видах техники и для различных операционных систем. Например, в качестве файл-сервера может быть выбрана ЭВМ типа VAX, рабочая станция - под UNIX или PC NetWare, а в качестве рабочих мест - графическая рабочая станция под UNIX или PC с DOS или Windows. Как правило, реализуется возможность и централизованной, и децентрализованной обработки и хранения данных. Это свойство позволяет по мере необходимости переходить к более производительным конфигурациям вычислительной техники.
Третье свойство ГИС-продуктов - это их представление как программной среды для разработки собственных программных приложений геоинформационных систем, т.е. тех функций, которые не могут быть реализованы или реализуются неэффективно непосредственно ГИС-продуктом. Здесь же можно отметить и мощные средства для конвертирования графических и неграфических данных.
Отсюда можно сделать вывод, что геоинформационные системы как программно-технический комплекс - это гибкая развивающаяся среда, пользуясь которой Вы можете быть уверены в том, что вместе с качественным ростом Ваших потребностей геоинформационная система естественным образом предоставит Вам возможность использовать более мощную и эффективную технологическую среду без потери уже накопленных данных и алгоритмов.
С другой стороны, как это ни печально, многие современные геоинформационные системы рассчитаны на профессионалов в области геоинформационных систем. Поэтому правильным на сегодняшний день выходом является создание геоинформационного центра для эксплуатации геоинформационных систем, который в принципе может взять на себя решение такой сложной и трудоемкой задачи, как ведение графической информации. Правда, уже сейчас намечаются пути для привлечения в геоинформационные системы и непрофессионалов. Этому могут способствовать такие новейшие продукты, как ARC/VIEW института ESRI или SICAD/VIEW фирмы SIEMENS NIXDORF. Специалисты отмечают, что ГИС-продукты ведущих фирм становятся все более и более схожими, а их функциональные отличия продолжают уменьшаться. Это означает, что в конечном итоге и геоинформационные технологии в каком-то смысле могут быть стандартизованы и точно описаны.
В настоящее время многие регионы России пришли к выводу о необходимости автоматизации управления территорией на основе концепции о многоцелевой многопользовательской геоинформационной системе муниципального уровня. Понятно, что проектирование такой системы еще более усложнено и требует большой организационной подготовки. Не секрет, что многие организации, обладающие некоей частью картографического материала, пытаются искать самостоятельные решения в области геоинформационных систем, что ведет к неоправданному параллелизму в работах, отсутствию концептуального подхода, к неясным перспективам развития, невозможности занесения информации отраслевых уровней послойно. Если удастся объединить усилия различных местных организаций с часто несовпадающими интересами в области геоинформационных систем, то это явится первым шагом к успешному проектированию муниципальной геоинформационной системе. В ходе проектирования такой геоинформационные системы необходимо выполнить большой объем организационных работ:
- определить владельцев исходной информации, оценить ее качество;
- провести инвентаризацию, определить методы получения недостающей информации;
- определить состав первоочередных и потенциальных пользователей;
- определить требуемые уровни точности информации и масштабы представления географических данных;
- определить требования к конечной продукции.
Следует также учесть, что многие задачи требуют привлечения значительных научных сил, так как имеют чисто научную постановку, например задача комплексной оценки земли.
В геоинформационных системах при переводе карт в цифровую векторную форму пространственная и содержательная определенность объектов фиксируется по-разному. Собственно в цифровой карте фиксируются пространственные объекты, связи и отношения между ними, а также пользовательские идентификаторы пространственных объектов, обеспечивающие связь с их содержательными характеристиками. Содержательные характеристики объектов фиксируются в виде таблиц, каждая запись в которых соотносится с определенным пространственным объектом цифровой карты через пользовательский идентификатор, указанный и в записи, и в цифровой карте. Кроме того, на более высоком уровне содержательная определенность объектов фиксируется в принятой схеме выделения на исходной карте конкретных слоев (например, слой месторождений нефти, слой месторождений газа, слой административного деления и др.), а пространственная определенность - в выделении слоев цифровых карт по типу пространственных объектов (например, месторождения нефти, выражающиеся в масштабе карты как полигоны и как точки, разносятся в соответствующие слои полигональных и точечных объектов соответственно для удобства редактирования и идентификации).
При оцифровке карт, например с помощью дигитайзера, они представляются в векторном формате, где элементарными объектами являются точки, считываемые дигитайзером, а структура связей между этими точками, формирующая на их основе более сложные объекты (отрезки, дуги, полигоны) задается обслуживающими ввод и редактирование программными средствами.
При оцифровке карт выделяются три типа объектов, к которым можно отнести любой из имеющихся на карте [39]:
- точечный объект. Объект, локализованный в пункте, чьи размеры слишком малы, чтобы можно было отразить его форму (границы, площадь) в масштабе карты. Может также представлять некий условный объект, не имеющий размеров, например отметку высот;
- линейный объект - объект, локализованный в виде линии, чья ширина не выражается в масштабе карты-источника (река, дорога и т. д.) Может также представлять некий условный объект, например границу;
- полигональный объект - объект, имеющий площадь, выражающуюся в масштабе карты-источника. Определяется замкнутым контуром и его внутренней областью, например лес, озеро.
При переводе карты в цифровую форму объекты абстрагируются от своей географической (или геологической, например) сущности, и работа с ними как с пространственными объектами в среде цифровой карты проводится, опираясь на следующие определения:
- точка - пара координат X, Y;
- отрезок - линия, соединяющая две точки;
- вершина (вертекс) - начальная или конечная точка отрезка;
- дуга (линия) - упорядоченный набор связных отрезков (или вершин);
- узел - начальная или конечная вершина дуги;
- висячий узел - узел, принадлежащий только одной дуге, у которой начальная и конечная вершины не совпадают;
- псевдоузел - узел, принадлежащий только двум дугам либо одной дуге (замкнутой дуге), у которой начальная и конечная вершины совпадают. Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней в этом узле (такой узел является нормальным);
- нормальный узел - узел, принадлежащий трем и более дугам. Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней в этом узле (такой узел тоже является нормальным);
- висячая дуга - дуга, имеющая висячий узел;
- замкнутая дуга - дуга, у которой совпадают начальная и конечная вершины (у такой дуги имеется только один узел);
- полигон - единичная область, ограниченная (находящаяся внутри) замкнутой дугой или упорядоченным набором связных дуг, которые образуют замкнутый контур;
- покрытие - набор файлов, фиксирующий в виде цифровых записей пространственные объекты (точки, дуги, полигоны) и структуру отношений между ними. Пустое покрытие - покрытие, в котором отсутствуют пространственные объекты;
- слой - покрытие, рассматриваемое в контексте его содержательной определенности (растительность, рельеф, административное деление и т. п.) или его статуса в среде редактора (активный слой, пассивный слой);
- цифровая карта - цифровая модель геосистемы, представленная в виде слоя или композиции нескольких слоев;
- внутренний идентификатор пространственного объекта - целое число, являющееся служебным идентификатором системы (уникальное для каждого объекта данного покрытия и назначаемое автоматически в процессе работы редактора), может изменяться системой в процессе работы;
- пользовательский идентификатор пространственного объекта - целое число, предназначенное для связи объектов цифровой карты с базой (таблицами) тематических данных, назначаемое пользователем. Пользовательские идентификаторы назначаются или изменяются только пользователем.
Каждому слою карты можно поставить в соответствие несколько таблиц баз данных, содержащих атрибутивную информацию об объектах данного слоя.
Каждый объект слоя цифровой карты имеет пользовательский идентификатор - целое число, уникально определяющее объект. Таблицы, подсоединяемые к слою, должны содержать первым полем пользовательский идентификатор объекта. Таким образом устанавливается однозначное соответствие между записью в таблице, содержащей характеристики объекта, и самим объектом на карте.
Для описания пространственно распределенных данных используются две основные модели: векторная и растровая [39].
Векторные системы хранят описания пространственных объектов в виде последовательности координат точек. Эти точки представляют либо отдельные точечные объекты; либо линейные объекты, аппроксимированные ломаными линиями; либо площадные объекты, ограниченные полигонами (многоугольниками). Каждый объект имеет уникальный идентификатор. Неграфическая информация об объектах хранится в традиционных базах данных, причем ключом доступа является идентификатор объекта.
Растровые (или сеточные, ячеечные) системы ориентированы не на представление отдельных объектов, а на описание какого-либо аспекта (параметра) области пространства. Описываемая область разбивается на ячейки фиксированного размера (как правило прямоугольные). Пространство описывается как матрица значений, каждое из которых представляет одну ячейку. Значение может быть идентификатором объекта, кодом качественного параметра или количественной характеристикой. Рассмотрим для примера некий растровый образ. Пусть некоторая ячейка имеет значение 10. Если образ представляет собой карту территориальных округов, то это означает, что ячейка принадлежит округу № 10 (идентификатор объекта). Если образ - это почвенная карта, данная ячейка находится на участке, имеющем почву типа 10 (код качественной характеристики). Если образ - это рельеф местности, ячейка представляет собой площадку, расположенную на высоте 10 метров (количественная характеристика).
Каждый класс систем имеет определенные преимущества и недостатки.
Векторные системы более удобны для реализации функций баз данных. Они, как правило, обеспечивают более эффективное хранение данных, так как хранится информация только о границах, а не о «внутренности» объектов. В системах этого класса легче реализуются пространственные запросы (например определить площадь полигона, на который указывает мышь; длину ломаной линии, указанной с помощью мыши и т. п.). Легко можно строить простые тематические карты, представляющие результаты запросов типа «Канализационные линии диаметром более одного метра, проложенные до 1950 года» или «Участки, которые будут урезаны при расширении данной дороги на 10 метров» и т. п. Кроме того, векторные системы обеспечивают более высокую точность определения метрических характеристик при меньших накладных расходах и позволяют легко выводить карты хорошего качества на перьевые плоттеры. Недостаток чисто векторных систем - большие трудозатраты при вводе картографического материала и трудность решения аналитических задач, использующих «сеточные» методы. Типичные представители векторных систем - ARC/INFO (ESRI), MapInfo (Mapinfo).
Растровые системы более ориентированы на анализ пространственно распределенных данных. Поскольку данные хранятся на однородной сетке, достаточно эффективно реализуются различные модельные расчеты (перенос загрязнений, анализ выпадения осадков, эрозия почв, стабильность растительности). Проще строить числовые модели местности (трехмерное представление). Поскольку спутниковые снимки хранятся в виде растра, растровые системы естественным образом используются при интерпретации данных дистанционного зондирования. Непосредственный ввод изображений путем сканирования менее трудоемкий, чем при оцифровке дигитайзером (хотя стоимость сканера выше). С другой стороны, это достигается за счет хранения избыточного количества данных. Кроме того, растровые системы обеспечивают, как правило, меньшую точность, чем векторные. Для повышения эффективности таких систем используют технологии сжатия данных. Для реализации пространственных запросов нужно использовать специальные структуры хранения растра. Типичные представители - ERDAS, ER/Mapper.
По мере развития геоинформационных систем стало понятно, что желательно использовать оба подхода. В результате современные геоинформационные системы обычно поддерживают обе модели данных.
ЛИТЕРАТУРА
Информатика. Макарова Н.В., Волков В.Б. СПб.: 2011. — 576 с
