Все о гис. Программы для ГИС: современное программное обеспечение для GIS

Стоит только начать работать с геоинформационными системами (ГИС), как приходит понимание их незаменимости в работе любого руководителя или сотрудника организации, имеющего дело с географически распределенными данными.

Год назад передо мною возникла задача нанести на карту для совместной работы несколько сот объектов, раскиданных по муниципальному району. Поэтому изначально искал веб-сервис, позволяющий отобразить мои данные на карте в Интернет, но позже изменил подход – оказалось, что полезные возможности от визуализации данных на карте возрастают на порядок, если использовать веб-сервисы совместно с десктопными решениями.

Тогда я наше время для некоторого углубления в предмет и изучения рынка, проанализировал различные платные и бесплатные ГИС, и выяснил, что знакомые геодезисты и специалисты, работающие в сфере градостроительной деятельности, предпочитают ГИС «ИнГЕО» (тот же AutoCAD, только заточенный под создание информационной системы обеспечения градостроительной деятельности). Другая часть ГИС-пользователей устанавливает на свои компьютеры MapInfo.

Но тут оказалось, что менее искушенные товарищи радуются бесплатному (Open Source) решению QGIS, которое с их слов закрывает нужды широкого круга специалистов, от руководителей экономической безопасности и директоров строительных компаний до геодезистов. Причем, закрывает не хуже по отношении к названным выше коммерческим ГИС, чем LibreOffice нужды пользователей Microsoft Word - вопрос исключительно в привычке.

Так QGIS стал для меня персональным открытием года. И если сначала с недоверием отнесся к утверждению своего знакомого, что QGIS быстро вытесняет дорогостоящие профессиональные ГИС, то теперь полагаю, что такое утверждение имеет право на жизнь.

На скриншоте ниже показан пример данных, обработанных нами в QGIS и выложенных на бесплатный облачный веб-сервис NextGIS.com для совместной работы. С NextGIS.com мы познакомимся ниже.

Со временем информация в ГИС накапливается, появляется возможность одним нажатием кнопки отображать комбинации слоев карт с казавшейся когда-то несвязанной тематикой и делать открытия, которые ранее не были очевидными.

Геоинформационная система QGIS

QGIS – это свободная бесплатная десктопная географическая информационная система с открытым кодом. С ее помощью можно создавать, редактировать, визуализировать, анализировать и публиковать геопространственную информацию в Windows, Mac, Linux, BSD (а вскоре и на Android). Система хорошо документирована на русском языке, плюс у нее обширное русскоязычное сообщество пользователей и разработчиков.

Функциональность QGIS определяется большим количеством устанавливаемых расширений, загружаемых через меню «Управление модулями». Можно найти модули под самые разнообразные задачи, от геокодинга, до упрощения геометрии, интеграции с картографическими веб-сервисами и 3D-моделирования ландшафта.

Задача настоящей статьи – дать общее представление о возможностях QGIS. Как то или иное исполнить на практике – предлагаю гуглить и сразу пробовать по ходу статьи. Интерфейс приложения дружественен и понятен новичку, особенно если иметь представление об общих принципах работы ГИС которым во многом посвящена эта статья.

Файл проекта и файлы слоев QGIS

В зависимости от типа слоя объектами, которые могут быть разнесены по карте, являются растровые объекты (изображения, например, куски спутниковых снимков) или векторные данные, которые описываются координатам вершин. Существуют три основных типа векторных объектов:

• точки;
• линии, в том числе ломаные;
• полигоны (замкнутые линии площадных объектов).

В простейшем варианте пользователь создает свои слои в табличных файлах с расширением «.shp» (от англ. Shape – форма, облик) – родном формате QGIS. Один слой (таблица) содержится в одном файле.shp. Если необходимо передать кому-то картографическую информацию для дальнейшей работы, то можно отправить один файл «.shp», хотя во многих случаях целесообразнее запаковать в архив и передать всю папку проекта.

Как уже было сказано, для хранения геометрии отводится отдельное поле в таблице слоя. Если его нет в источнике (файле, базе данных, внешнем приложении), то QGIS поможет его создать. Это значит, что можно, например, присоединить в проект выгруженный из Microsoft Excel файл с адресами контрагентов в формате CSV, создать в нем поля геометрии или конвертировать в полноценный слой «.shp» для отображения этих адресов на карте.

QGIS позволяет присоединять в проект файлы таблиц слоев во множестве форматов, например MapInfo, ArcGIS или даже CSV, но как правило, после присоединения я их сразу конвертирую в формат QGIS (.shp), так как при этом появляются дополнительные возможности, особенно в части стилизации. Иногда присоединенные файлы слоев имеют неверную кодировку текста. В этом случае правильную можно выбрать в свойствах слоя.

Поскольку файлы не импортируются, а присоединяются в проект, то изменения, которые вносятся в строки таблицы будут сохраняться в эти же самые файлы. То есть, они станут видны во всех приложениях, использующих эту таблицу, и наоборот.

Что немного сбивает с толку новичка? Загруженные в проект слои по умолчанию защищены от записи и не редактируются, на них нельзя наносить новые объекты, передвигать их, изменять атрибуты и добавлять поля в таблице. Для всего этого необходимо выделить нужный слой и нажать кнопку редактирования. После этого станут доступны соответствующие другие кнопки и опции.

Не забывайте, что ваши правки распространяются на выделенный слой и если вы переключились на другой - прежний хотя и останется в режиме редактирования, но нанести на карту новый объект у вас не получится до тех пор, пока вы не выберите редактируемый слой вновь. Излишне напоминать, что надо периодически сохранять изменения редактируемого слоя (или целиком проекта), чтобы их не потерять.

Стили

Стиль устанавливается для каждой таблицы. Самое простое, что описывает стиль – это цвета, маркеры и изображения, используемые для отображения объектов таблицы на карте, форматирование и расположение подписей и поля таблицы из которых эти подписи формируются, масштаб при котором отображается слой или подписи. В том числе, с помощью стиля можно легко поставить оформление слоя на карте в зависимость от каких-нибудь полей этой или связанных таблиц. Например, отображать должников и кредиторов на карте разными символами.

Кроме того, можно настроить действия, которые производятся, например, при нажатии на маркер объекта на карте. Если вы желаете щелчком мыши по карте переходить на страницу объекта в закрытой корпоративной сети или запустить некое приложение для обработки объекта – нет проблем.

Использование слоев из публичных источников

Принципиальная разница между протоколами WMS и WFS заключается в следующем:

• WMS - передает картографическую информацию в виде готовых изображений (растров), привязанных к координатам.
• WFS - позволяет запрашивать и при наличии полномочий редактировать на карте векторные пространственные данные, такие как дороги, береговые линии, земельные участки и т.д.

После установки модуля откройте в его настройках вкладку «Загрузить сервисы» и нажмите кнопку «Получить источники данных». Вам станут доступны публичная кадастровая карта, фотопланы от Google и Yandex, лицензионно чистая и, на мой взгляд, наиболее подробная из доступных карт OpenStreetMap (она же OSM), а также еще десятки полезных слоев, которые можно разместить в своем проекте.

Кроме того, некоторые сервисы предоставляют полезную информацию для автоматического анализа. Например, из OSM можно получить все региональные и федеральные дороги на карте с номерами, типами дорог, покрытием и т.д.

Геокодинг

Теперь с помощью того же модуля используем процедуру геокодинга, указываем таблицу слоя и ее поле с адресами, выбираем поставщика услуги. Мой выбор Yandex, поскольку он справляется с адресами на русском языке лучше всех.

Итак, запускаем процедуру геокодинга, ждем в среднем по секунде на каждый из обрабатываемых объектов и получаем всех их, раскиданными по карте.

Системы координат

В школе мы изучали только географические (WGS-84), представляющие точку на карте в виде градусов, минут, секунд широты и долготы. Однако в геоинформационных системах географические координаты хранятся в градусах и их десятичных долях, а минуты и секунды не используются (например, описание точки с координатами 45°34′55″ северной широты и 15°30′0″ западной долготы будут выглядеть так: 45.581944°, -15.5°).

Нередки случаи, когда из сторонних источников вы получаете слои, поля геометрии которых используют одну из прямоугольных систем координат. Прямоугольные системы активно используют геодезисты и проектировщики - это, так называемые, местные системы координат (МСК). Прямоугольные системы координат предполагают, что земля плоская и все измерения по осям абсцисс и ординат проводятся от конкретной нулевой точки в километрах от нее.

Зачем их так много? Дело в том, что допущение о плоской планете не позволяет использовать одну местную систему координат по всей Земле, так как уже через несколько сотен километров погрешность становится ощутимой. Зато они незаменимы в случае, когда требуется высокая точность на территории, ограниченной несколькими градусами широты и долготы. Так в Московской области геодезистами используются системы МСК-50 зоны 1 или 2.

QGIS позволяет выбрать систему координат для каждого слоя. То есть в одном проекте могут быть слои с разными системами координат, и они легко конвертируются из одной системы в другую – достаточно сохранить слой в shp-файл или базу данных, выбрав в качестве параметра новую систему. Кроме того в QGIS можно настроить систему координат в которую будут переводиться все слои проекта при их отображении на экране, а также системы которые будет устанавливаться по умолчанию для новых проектов и слоев в текущем проекте.

Информация о системе координат хранится вместе с таблицей в shp-файле QGIS, и передавая кому-либо файл слоя вместе с ним вы передаете соответствующие настройки. В других источниках слоев, включаемых в проект, информация о системе координат может отсутствовать. Поэтому, если вы получили от кого-либо слой с информацией, которая почему-то не отображается на карте, сделайте следующее – откройте таблицу объектов этого слоя, выделите любую строку и нажмите кнопку перехода к объекту. Если на экране отобразилась Африка или мировой океан, значит, QGIS систему координат распознал неправильно. Уточните у тех, от кого получен источник (файл), в какой системе координат хранятся данные, и установите ее для слоя в QGIS.

Если нужной системы координат нет в QGIS, то ее можно ввести самому (Пользовательская система координат). Для этого надо знать строку настроек. Google вам в помощь - попытайтесь использовать запрос с наименованием искомой системы плюс, например, «пользовательская система координат QGIS».

Для чего еще это может понадобиться? Пользователи публичной кадастровой карты хорошо знают о проблеме сдвига слоев кадастра относительно спутниковой подложки. Она сбивает с толку, мешает визуально оценивать границы земельных участков. Аналогичную картину мы видим при добавлении слоя публичной кадастровой карты в QGIS вместе со снимками Yandex или Google.

Чтобы исправить ситуацию я создал в QGIS собственную пользовательскую систему координат со следующими параметрами, подобранными эмпирическим путем, и установил ее для слоев кадастровой карты:

Proj=merc +a=6378137 +b=6378137 +lat_ts=0.0 +lon_0=0.0 +x_0=-11.0 +y_0=-6 +k=1.0 +units=m +nadgrids=@null +wktext +no_defs
В результате проблема снята.

Немножко высшего пилотажа

Надо только добавить поле геометрии, и в этом QGIS поможет. Не забудьте установить в базе данных права на редактирование таблицы пользователю, получающему к ней доступ из QGIS. Информация, внесенная в QGIS, будет храниться в базе данных, а при изменении в базе данных сторонними управленческими приложениями, сразу же отображаться в QGIS.

Второе. Если нет желания давать прямой доступ к изменениям в базе или другом источнике данных (например файле CSV), но хочется оперативно получать информацию на карте, то есть эффективный способ и для этого.

Например, у нас есть информация об арендаторах нашего имущества в базе данных 1С, мы желаем показывать арендаторов на карте, выделять разными цветами должников по арендной плате и выводить рядом их сумму долга или какой-нибудь график с тенденцией погашения.

Нужно, в точности как это делаем с обычными слоями, присоединить таблицы базы данных с интересующей нас информацией (например, о динамике задолженности, должнике, объектах недвижимости и т.д.) в проект QGIS с правами на чтение. Поскольку присоединенные таблицы изначально не имеют геометрии, и мы не даем QGIS возможности ее создавать и изменять, то, понятно, надо как-то по-другому дать ГИС отсутствующую информацию о месторасположении имущества.

Для этого создаем слой.shp, располагаем на нем объекты, занося в один из атрибутов уникальные номера, соответствующие идентификаторам этих объектов в 1С. То-есть в обеих таблицах должны быть поля с одинаковыми идентифицирующими данными по которым их можно связать между собой. Настраиваем в свойствах слоя.shp соответствующие связи. В результате мы не меняем из QGIS данные 1С, но их изменение со стороны 1С сразу влияет на отображение объектов и сопутствующей информации на карте в QGIS. Осталось настроить свойства слоя карты для красивого отображения информации и наслаждаться результатом в реальном времени.

Третье. Отображать данные на карте в QGIS можно не только точками, линиями и полигонами с надписями, но и диаграммами, формируемыми автоматически на основе представленных данных.

Четвертое. Можно получать из QGIS аналитику в виде таблиц и итоговых данных, рассчитанных с учетом геопространственной информации. Например, имея таблицу населенных пунктов с количеством жителей в каждом и таблицу дорог из OSM, быстро подсчитать население, проживающее на расстоянии более 3 километров от региональных и федеральных автодорог.

NextGIS.com

Исходники проекта доступны на github . Так что если есть желание развернуть веб-сервис самостоятельно - нет проблем. Однако условия, которые предлагает команда NextGIS для доступа к своем облаку, без сомнения заслуживают внимания даже самых прижимистых пользователей.

Создать свою собственную веб-ГИС в облаке NextGIS можно бесплатно. Вы получите доменное имя в формате вашеимя.nextgis.com и можете почти без ограничений использовать все предоставляемые ими вкусности. Самое то, чтобы начать знакомиться с решением и использовать его на практике. Главное ограничение бесплатной подписки – невозможность ограничить доступ на чтение к информации. Любой может видеть то, что размещено вами.

Уже с бесплатной подпиской вы можете создавать сколько угодно веб-карт с произвольными настройками, компоновкой и стилями загруженных вами слоев, а также рассматривать, анализировать карты на рабочем компьютере и, в комплекте с NextGIS Mobile, собирать данные в поле, размещая их сразу в облако. Можно встраивать карты в веб-сайты или смотреть на сервисе.

Платная подписка снижает ограничения, в том числе по количеству пользователей, редактирующих слои (изначально один пользователь), разграничению их прав. Какие-то слои можно показать всем, а права доступа к другим ограничить. Плюс предоставляется возможность использовать собственное доменное имя, например gis.моякомпания.ru и получить разнообразие преднастроенных подложек (в бесплатной подписке есть только карта OpenStreetMap).

Со слов представителя компании сейчас условия подписки меняются. Ориентироваться нужно на информацию, размещенную на сайте сервиса по адресу nextgis.ru/pricing . Ранее платный тариф был единым и составлял 3000 руб.в месяц. Теперь платная подписка стоит от 600 рублей. Обещают, что за те же 3000 руб. в месяц клиент будет получать полный и актуальный комплекс программного обеспечения и сервисов, как и раньше.

Интеграция QGIS и NextGIS.com

• зайти в QGIS в свойства слоя и из них сохранить стиль в файл;
• сохранить файл слоя в системе координат WGS 84 (EPSG:3857).

• войти в свой аккаунт на своем сайте в облаке NextGIS.com,
• создать новый слой через опцию «Создать ресурс - Векторный слой» и во вкладке «Векторный слой» загрузить файл с расширением.shp.

После сохранения ресурса в его настройках появится возможность загружать файлы стилей слоев. К каждому слою с данными можно сохранить несколько разных файлов стилей, которые по-разному будут отображать данные на веб-карте.

Наконец, настало время разместить слой на карте. Для этого откройте главную страницу своего сайта. Среди перечисленных объектов основной группы ресурсов будет как минимум одна существующая веб-карта. Войдите в ее настройки и выберите вкладку «Слои». Нажмите «Добавить слой» и отыщите в открывшейся таблице ваш слой и под ним стиль, в котором хотите, чтобы его данные отображались на Веб-карте. Нажмите «Сохранить» и «Веб-карта – Открыть». Слой перед вами на карте - включите его для отображения.

Действительно длинный путь, не так ли? Но есть маршрут, который решает все это и многое другое прямо из QGIS в несколько нажатий клавиш и которым пользуюсь я.

Модуль NextGIS Connect для QGIS

Поэтому есть второй способ более изящный, предназначенный для работы с уже созданными веб-картами. Для этого мы поднимаем из QGIS в облако NextGIS.com по одному новому или измененному слою:

• удаляем в окне NextGIS Connect слои, которые хотим поднять обновленными;
• выбираем в окне NextGIS Connect конечную папку ресурсов;
• выделяем слой в QGIS правой кнопкой мыши и в контекстном меню выбираем «NextGIS Connect – Импортировать выбранный слой». Выбранный слой копируется в облако вместе с его стилем;
• повторяем действия для всех слоев, которые хотим обновить на веб-карте;
• выделяем в окне NextGIS Connect карту на которой собираемся разместить слой и переходим на нее щелчком правой кнопки мыши через контекстное меню «Открыть в ВебГИС»;
• в открывшемся окне ресурса веб-карты на сайте нажимаем кнопку «Изменить», выбираем вкладку «Слои» и нажимаем кнопку «Добавить слой». Находим загруженные слои и добавляем на карту стили, размещенные под каждым из них. Нажимаем «Сохранить».

Растровые слои

Но со временем нужда в них появляется в следующих случаях если:

• на карте нужен более детализированный, чем доступные публично, фотографический план отдельного объекта или территории, который есть у вас в наличии
• вы работаете в дороге, при нестабильном доступе в Интернет или если вас досаждает длительная загрузка публичных снимков при каждом перемещении экрана;
• вы пользуетесь бесплатной версией NextGIS.com, а единственная подложка OpenStreetMap на ваших веб-картах вас не устраивает.

На что надо обратить внимание:

1. Предпочтительный формат файла для хранения растровых данных – GeoTIFF с компрессией JPEG. Он занимает мало места, единственный загружается на NextGIS.com и может содержать тайлы – маленькие разномасштабные изображения, эффективно и быстро открывающиеся на веб-карте при перемещении экрана. Все тайлы по умолчанию хранятся в одном файле, но этого монстра не надо каждый раз загружать себе на компьютер, из него будут выбираться строго необходимые куски-тайлы. Однако, если файл все равно слишком велик для вас или для загрузки на сервис веб-карты, то его можно разбить на части как это показано (2x2 куска, 4 файла) в указанных выше настройках.
2. В проект QGIS растровый слой можно поместить простым перетаскиванием. А если надо скрепить несколько частей, то можно использовать так называемый «виртуальный слой» или просто собрать все растровые слои в группу.
3. Максимальный масштаб для Yandex-Спутника равен 18. 17 достаточен для многих задач, а файл с тайлами уменьшается значительно.
4. При склейке в SAS.Planet в GeoTIFF-файле размещаются только тайлы указанного масштаба, и после прикрепления растрового слоя в проект QGIS в свойствах слоя рекомендуется выбрать опцию «Пирамиды». Растры высокого разрешения могут замедлить навигацию в QGIS. Создание копий данных низкого разрешения (пирамид) позволяет существенно повысить скорость, поскольку QGIS будет автоматически выбирать оптимальное разрешение в зависимости от текущего масштаба. Создайте пирамиды меньших размеров.

NextGIS Mobile

Для массового сбора информации достаточно просто создаются собственные формы, удобные для использования неподготовленными сотрудниками из приложения на телефоне или планшете.

Вместо заключения

К размещенным в облаке объектам слоя можно прикреплять на карте документы и фотографии. Их просмотр удобен и нагляден. Правда, если этот слой вам приходится периодически заменять новым из QGIS, то с удаленной версией исчезнет и вся наполненная вами красота. Альтернатива – работать в облаке не путем замены слоев из QGIS (через модуль NextGIS Connect или вручную), а опосредованно, например, опять же, через однажды настроенный слой, получающий информацию из базы данных Postgres.

В любом случае, связка QGIS, NextGIS.com и NextGIS Mobile является гибким и полезным инструментом, доступным каждому. Переход к работе с ГИС для решения прикладных задач с географически распределенными данными – увлекательная задача и усилия по изучению предмета окупаются возможностями, которые мы тем самым открываем перед собой.

В заключение для иллюстрации материалов статьи предлагаю вот это короткое видео.

Геоинформационные системы (ГИС) - это автоматизированные системы, функциями которых являются сбор, хранение, интеграция, анализ и графическая интерпретация пространственно-временных данных, а также связанной с ними атрибутивной информации о представленных в ГИС объектах.

ГИС появились в 1960 гг при появлении технологий обработки информации в СУБД и визуализации графических данных в САПР, автоматизированного производства карт, управления сетями.

Назначение ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), такими как инвентаризация ресурсов, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Этапы создания ГИС:

Предпроектные исследования, в тч изучение требований пользователя и функциональные возможности используемого ПО,

Технико-экономическое обоснование (ТЭО)

Оценка рентабельности,

Системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС;

Тестирование ГИС на небольшом территориальном фрагменте или тестовом участке или создание опытного образца,

Внедрение ГИС;

Эксплуатация и обслуживание ГИС.

Источники данных для создания ГИС:

Базовый слой - картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и тд), используемые в виде геодезической системы координат и плоских прямоугольных координат картографических проекций исходных материалов, геодезических координат и проекций создаваемых базовых карт, на основе которых осуществляется построение цифровых моделей в ГИС и практически реализуются все их задачи.

Данные дистанционного зондирования (ДДЗ): в тч, получаемые с космических аппаратов и спутников материалы, Изображения получают и передают на Землю с носителей съемочной аппаратуры, размещенных на разных орбитах. Полученные снимки отличаются разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в нескольких диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон), что позволяет решать широкий спектр экологических задач. К методам дистанционного зондирования относятся также 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 геодезических измерений на местности, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками и др;

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 пр).

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.

Эффективное использование ГИС для решения разнообразных пространственно-локализованных задач требует от пользователя достаточного объема знаний о геодезических системах координат, картографических проекциях и других элементах математической основы карт ГИС, знаний о методах получения по карте различной информации, математических и других методов использования этой информации для решения пространственно-локализованных задач ГИС.

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

Данные, собираемые в геоинформатике, выделяют в особый класс данных, называемых геоданными.

Геоданные - данные о предметах, формах территории и инфраструктурах на поверхности Земли, причем как существенный элемент в них должны присутствовать пространственные отношения.

Геоданные описывают объекты через их положение в пространстве непосредственно (например, координатами) или косвенно (например, связями).

В целом следует выделить следующие технологии сбора данных в геоинформатике:

Воздушная съемка, которая включает аэросъемку, съемку с мининосителей;

Глобальная система позиционирования (GPS);

Космическая съемка, которая является одним из важнейших источников данных для ГИС при проведении природоресурсных исследований, экологического мониторинга, оценки сельскохозяйственных и лесных угодий и т. д.;

Карты или картографическая информация, которая является основой построения цифровых моделей ГИС;

Данные, поступающие через всемирную сеть Internet;

Наземная фотограмметрическая съемка служит источником информации для ГИС при анализе городских ситуаций, экологического мониторинга за деформацией и осадками;

Цифровая фотограмметрическая съемка основана на использовании цифровых фотограмметрических камер, которые позволяют выводить информацию в цифровом виде непосредственно на компьютер;

Видеосъемка, как источник данных для ГИС, используется в основном для целей мониторинга;

Документы, включая архивные таблицы и каталоги координат, служат основным источником данных для ввода в ГИС так называемой предметной или тематической информации, к которой относятся экономические, статистические, социологические и другие виды данных;

Геодезические методы (автоматизированные и не автоматизированные) используются для уточнения координатных данных,

Источником данных для ГИС являются также результаты обработки в других ГИС;

Фотографии, рисунки, чертежи, схемы, видеоизображения и звуки;

Статистические таблицы и текстовые описания, технические данные;

Почтовые адреса, телефонные книги и справочники;

Геодезические, экологические и любые другие сведения.

ГИС используют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, принятия оперативных мер в условиях ЧС и тд.

ГИС классифицируются по следующим признакам:

1. По функциональным возможностям:

Полнофункциональные ГИС общего назначения;

Специализированные ГИС, ориентированные на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

Информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования. Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

Закрытые системы не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки; - открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

2.По пространственному (территориальному) охвату ГИС подразделяются на глобальные (планетарные), общенациональные, региональные, локальные (в том числе муниципальные).

3.По проблемно-тематической ориентации - общегеографические, экологические и природопользовательские, отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.).

4.По способу организации географических данных - векторные, растровые, векторно-растровые ГИС.

Структура ГИС включает комплекс технических средств (КТС) и программное обеспечение (ПО), информационное обеспечение (ИО).

КТС - это комплекс аппаратных средств, в тч, рабочая станция (персональный компьютер), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях.

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 с электронных геодезических приборов, с помощью дигитайзера или сканера, либо с использованием фотограмметрических приборов.

Устройства для обработки и хранения данных интегрированы в системном блоке компьютера, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, запоминающие устройства (жесткие диски, переносные магнитные и оптические носители информации, карты памяти, флеш-накопители и др.). Устройства вывода данных - монитор, графопостроитель, плоттер, принтер, с помощью которых обеспечивается наглядное представление результатов обработки пространственно-временных данных.

ПО - обеспечивает реализацию функциональных возможностей ГИС. Оно подразделяется на базовое и прикладное ПО.

Базовое ПО включает операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, и модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

Прикладное ПО -программные средства, предназначенные для решения специализированных задач в конкретной предметной области. Они реализуются в виде отдельных модулей (приложений) и утилит (вспомогательных средств).

ИО - совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации.

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.

Информация, представленная в виде отдельных слоев, и их совместный анализ в разных комбинациях позволяет получать дополнительную информацию в виде производных слоев с их картографическим отображением (в виде изолинейных карт, совмещенных карт различных показателей и тд).

ГИС-технология объединяет разрозненные данные в единый вид, что упрощает принятие управленческих решений информационного обеспечения на различных уровнях планирования и получать, анализировать и принимать решения в науке, управлении хозяйствовании.

Рынок ГИС, отличающихся по функциональным возможностям, требованиям к КТС, ПО и ИО, довольно развит.

ПО - это одна из немногих отраслей, где РФ на равных конкурирует с Западом.

13.1. ПОНЯТИЯ О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

В конце XX в. благодаря активной автоматизации и компьютеризации картография стала держательницей и распорядительницей огромных массивов информации о важнейших аспектах существования, взаимодействия и функционирования природы и общества. Информатизация проникла во все сферы науки и практики - от школьного образования до высокой государственной политики.
В науках о Земле на базе информационных технологий созданы географические информационные системы (ГИС) - особые системы сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информацией о необходимых объектах.
Пространственные данные (географические данные, геоданные) - данные о пространственных объектах и их наборах. Пространственные данные составляют основу информационного обеспечения геоинформационных систем. Совокупность пространственных данных, записанных (сохранённых) тем или иным образом, называется пространственной базой данных.
Одна из основных функций ГИС - создание и использование компьютерных (электронных) карт, атласов и других картографических произведений.
Геоинформационные технологии с большим успехом применяются в отраслях:

• добычи полезных ископаемых - мониторинг горных предприятий, контроль за добычей полезных ископаемых;
• промышленного производства - проектирование предприятий, проведение расчетов, аудит и мониторинг;
• строительной индустрии - проектирование коммуникаций;
• экономике - проведение экспертных оценок, маркетинговое планирование, менеджмент;
• административном управлении - учет административного подчинения, информационное обеспечение избирательных кампаний, консалтинг, управление территориями;
• экологии - решение задач при чрезвычайных ситуациях, экологический мониторинг;
• интернете - интернет-серверы, поиск местонахождения и маршрутизация.

Принято различать следующие территориальные уровни ГИС: глобальные, национальные, региональные, муниципальные и локальные.
ГИС подразделяют и по проблемной ориентации (тематике). Созданы специализированные земельные информационные системы (ЗИС), кадастровые (КИС), экологические (ЭГИС), учебные, морские и многие иные системы. Одни из наиболее распространенных в географии - ГИС ресурсного типа. Они создаются на основе обширных и разнообразных по тематике информационных массивов и предназначены для инвентаризации, оценки, охраны и рационального использования ресурсов, прогноза результатов их эксплуатации.

13.2. ПОДСИСТЕМЫ ГИС

Структуру ГИС обычно представляют как набор информационных слоев (рис. 13.1). К примеру, базовый слой содержит данные о рельефе, затем следуют слои гидрографии, дорожной сети, населенных пунктов, почв, растительного покрова, распространения загрязняющих веществ и т.д. Условно эти слои можно рассматривать в виде «этажерки», на каждой полочке которой хранится карта или цифровая информация по определенной теме.

Рис. 13.1. Принцип расположения информационных слоев в географической информационной системе

В процессе решения поставленных задач слои анализируют по отдельности или совместно в разных комбинациях, выполняют их взаимное наложение (оверлей) и районирование, рассчитывают корреляции и т.п. Скажем, по данным о выборах можно построить слои "явка избирателей по участкам на выборах" и "результаты голосования по определенной партии". Анализируя эти слои можно сделать выводы о работе агитаторов по округам.

Рис. 13.2. Результаты выборов по участкам

При создании ГИС главное внимание всегда уделяют выбору географической основы и базовой карты , которая служит каркасом для последующей привязки, совмещения и координирования всех данных, поступающих в ГИС, для взаимного согласования информационных слоев и последующего анализа с применением оверлея. В зависимости от тематики и проблемной ориентации ГИС в качестве базовых могут быть избраны:

• карты административно-территориального деления;
• топографические и общегеографические карты;
• кадастровые карты и планы;
• фотокарты и фотопортреты местности;
• ландшафтные карты;
• карты природного районирования и схемы природных контуров;
• карты использования земель.

Возможны и комбинации указанных основ, например ландшафтных карт с топографическими или фотокарт с картами использования земель и т.п. В каждом конкретном случае выбор и дополнительная подготовка базовой карты (например, ее разгрузка или нанесение дополнительной информации) составляют центральную задачу этапа географо-картографического обоснования ГИС.
Сердцевину всякой ГИС составляет автоматизированная картографическая система (АКС) - комплекс приборов и программных средств, обеспечивающих создание и использование карт. АКС состоит из ряда подсистем, важнейшими из которых являются подсистемы ввода , обработки и вывода информации (рис. 13.3).
Подсистема ввода информации - это устройства для преобразования пространственной информации в цифровую форму и ввода ее в память компьютера или в базу данных. Для оцифровки применяют цифрователи (дигитайзеры) и сканеры. С помощью цифрователей на исходной карте прослеживают и обводят контуры и другие обозначения, а в память компьютера при этом поступают текущие координаты этих контуров и линий в цифровой форме. Сам процесс прослеживания оператор выполняет вручную, с чем связаны большая трудоемкость работ и возникновение погрешностей при обводе линий. Сканеры же осуществляют автоматическое считывание информации последовательно по всему полю карты, строка за строкой. Сама карта размещается на планшете или на барабане. Сканирование выполняется быстро и точно, но приходится дополнительно разделять (распознавать) оцифрованные элементы: реки, дороги, другие контуры и т.п. Качественные и количественные характеристики цифруемых объектов, а также статистические данные вводят с клавиатуры компьютера. Вся цифровая информация поступает в базы данных.

Рис. 13.3. Структура ГИС.

Базы данных - упорядоченные массивы данных по какой-либо теме (темам), представленные в цифровой форме, например базы данных о рельефе, населенных пунктах, базы геологической или экологической информации. Формирование баз данных, доступ и работу с ними обеспечивает система управления базами данных (СУБД), которая позволяет быстро находить требуемую информацию и проводить ее дальнейшую обработку. Если базы данных размещены на нескольких компьютерах (например, в разных учреждениях или даже в разных городах и странах), то их называют распределенными базами данных . Это удобно, так как каждая организация формирует свой массив, следит за ним и поддерживает на уровне современности. Совокупности баз данных и средств управления ими образуют банки данных . Распределенные базы и банки данных соединяют компьютерными сетями , и доступ к ним (запросы, поиск, чтение, обновление) осуществляется под единым управлением.
Подсистема обработки информации состоит из самого компьютера, системы управления и программного обеспечения. Созданы сотни разнообразных специализированных программ (пакетов программ), которые позволяют выбирать нужную проекцию, приемы генерализации и способы изображения, строить карты, совмещать их друг с другом, визуализировать и выводить на печать. Программные комплексы способны выполнять и более сложные работы: проводить анализ территории, дешифрировать снимки и классифицировать картографируемые объекты, моделировать процессы, сопоставлять, оценивать альтернативные варианты и выбирать оптимальный путь решения. А современные «интеллектуальные» программы моделируют даже некоторые процессы человеческого мышления.
Большая часть подсистем обработки информации работают в диалоговом (интерактивном) режиме, в ходе которого идет непосредственный двусторонний обмен информацией между картографом и компьютером.
Подсистема вывода (выдачи) информации - комплекс устройств для визуализации обработанной информации в картографической форме. Это экраны (дисплеи), печатающие устройства (принтеры) различной конструкции, чертежные автоматы (плоттеры) и др. С их помощью быстро выводят результаты картографирования и варианты решений в той форме, которая удобна пользователю. Это могут быть не только карты, но и тексты, графики, трехмерные модели, таблицы, однако если речь идет о пространственной информации, то чаще всего она дается в картографической форме, наиболее привычной и легко обозримой.
Все подсистемы, входящие в автоматические картографические системы, входят также и в ГИС. В состав картографической ГИС производственного назначения включают еще и подсистему издания карт , которая позволяет изготовлять печатные формы и печатать тиражи карт. Если тираж небольшой, что обычно при выполнении научных исследований, то используют настольные картографические издательские системы.
ГИС, ориентированные на работу с аэрокосмической информацией, включают специализированную подсистему обработки изображений. В этом случае программное обеспечение позволяет выполнять различные операции со снимками: проводить их коррекцию, преобразование, улучшение, автоматическое распознавание и дешифрирование, классификацию и др.
Особую подсистему в высокоразвитых ГИС может составлять база знаний, т.е. совокупность формализованных знаний, логических правил и программных средств для решения задач определенного типа (например, для проведения границ или районирования территории). Базы знаний помогают диагностировать состояние геосистем, предлагать варианты решения проблемных ситуаций, давать прогноз развития. Можно считать, что в базах знаний реализуются некоторые принципы функционирования искусственного интеллекта.

13.3. ГЕОИНФОРМАТИКА - НАУКА, ТЕХНОЛОГИЯ, ПРОИЗВОДСТВО

Геоинформатика существует в трех ипостасях как наука, техника и производство, и это достаточно типичная ситуация в условиях научно-технического прогресса, сближающего науку и производство. Это триединство является одним из факторов, сближающим картографию и геоинформатику.
Геоинформатика как научная дисциплина изучает природные и социально-экономические геосистемы посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и баз знаний.
Вместе с картографией и другими науками о Земле геоинформатика исследует процессы и явления, происходящие в геосистемах, но пользуется для этого своими средствами и методами. Главными из них являются компьютерное моделирование и геоинформационное картографирование .
Основные цели геоинформатики как науки - это управление геосистемами в широком понимании, включая их инвентаризацию, оценку, прогнозирование, оптимизацию и т.п. Для картографии особенно важны заложенный в геоинформатике комплексный подход к изучаемым явлениям и ее проблемная ориентация. В структуре геоинформатики различают такие разделы, как теория геосистемного моделирования, методы пространственного анализа и прикладная геоинформатика.
Но с другой стороны, геоинформатика - это технология сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированных данных. ГИС-технологии обеспечивают анализ геоинформации и принятие решений.
Наконец, геоинформатика как производство (геоинформационная индустрия) - это изготовление аппаратуры, создание коммерческих программных продуктов и ГИС-оболочек, баз данных, систем управления, компьютерных систем. К этой сфере примыкают формирование ГИС-инфраструктуры и организация маркетинга.
Картография и геоинформатика взаимодействуют по многим направлениям. Они объединены организационно, поскольку государственные картографические службы и частные фирмы занимаются одновременно и геоинформационной деятельностью. Сформировалось особое направление высшего геоинформационно-картографического образования.
Единство двух отраслей науки и техники определяется следующими факторами:
♦ общегеографические и тематические карты - главный источник пространственной информации о природе, хозяйстве, социальной сфере, экологической обстановке;
♦ системы координат и разграфка, принятые в картографии, служат основой для географической локализации всех данных в ГИС;
♦ карты - основное средство интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и любой другой информации, поступающей, обрабатываемой и хранимой в ГИС;
♦ геоинформационные технологии, используемые для изучения пространственно-временной структуры, связей и динамики геосистем, в основном опираются на методы картографического анализа и математико-картографического моделирования;
♦ картографические изображения - самая целесообразная форма представления геоинформации потребителям, а составление карт - одна из основных функций ГИС.

13.4. ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

Геоинформационное картографирование - это автоматизированное создание и использование карт на основе ГИС и баз картографических данных и знаний. Суть геоинформационного картографирования составляет информационно-картографическое моделирование геосистем.
Геоинформационное картографирование может быть отраслевым и комплексным, аналитическим и синтетическим. В соответствии с принятыми классификациями выделяют виды и типы картографирования (например, социально-экономическое, экологическое или инвентаризационное, оценочное геоинформационное картографирование и т.п.).
Данное направление сформировалось не вдруг и не на пустом месте. Оно интегрировало ряд отраслей картографии, подняв их на более высокий технологический уровень. Его истоки прослеживаются в комплексном, потом в синтетическом и оценочно-прогнозном картографировании. Следующим шагом стало развитие системного картографирования, при котором внимание сосредоточивается на целостном отображении геосистем и их элементов (подгеосистем), иерархии, взаимосвязей, динамики, функционирования. Это потребовало основательной опоры на математические методы и автоматизированные технологии, а отсюда был уже один шаг до создания автоматических картографических систем и ГИС. Иначе говоря, геоинформационное картографирование возникло и развивается как прямое продолжение комплексного, синтетического и далее - системного картографирования в новой геоинформационной среде.
Среди характерных черт этого вида картографирования наиболее важны следующие:
♦ высокая степень автоматизации, опора на базы цифровых картографических данных и базы географических (геологических, экологических и др.) знаний;
♦ системный подход к отображению и анализу геосистем;
♦ интерактивность картографирования, тесное сочетание методов создания и использования карт;
♦ оперативность, приближающаяся к реальному времени, в том числе с широким использованием данных дистанционного зондирования;
♦ многовариантность, допускающая разностороннюю оценку ситуаций и спектр альтернативных решений;
♦ многосредность (мультимедийность), позволяющая сочетать иконические, текстовые, звуковые отображения;
♦ применение компьютерного дизайна и новых графических изобразительных средств;
♦ создание изображений новых видов и типов (электронные карты, 3-мерные компьютерные модели и анимации и др.);
♦ преимущественно проблемно-практическая ориентация картографирования, нацеленная на обеспечение принятия решений.
Геоинформационное картографирование - программно-управляемое картографирование. Оно аккумулирует достижения дистанционного зондирования, космического картографирования, картографического метода исследования и математико-картографического моделирования.
В своем развитии геоинформационное картографирование использует опыт комплексных географических исследований и системного тематического картографирования. Благодаря этому в конце XX в. геоинформационное картографирование стало одним из магистральных направлений развития картографической науки и производства.

13.5. ОПЕРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

Оперативное картографирование - одна из ветвей геоинформационного картографирования, суть его составляют создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабах времени с целью быстрого (своевременного) информирования пользователей и воздействия на ход процесса.
Реальный масштаб времени характеризует скорость создания - использования карт, т.е. темп, обеспечивающий немедленную обработку поступающей информации, ее картографическую визуализацию для оценки, мониторинга и контроля каких-либо процессов и явлений, изменяющихся в том же темпе.
В практических ситуациях оперативное изготовление картографических произведений и доставка их потребителям становятся важным и даже решающим условием выполнения задачи. Оперативные карты предназначены для решения широкого спектра проблем, и прежде всего для предупреждения (сигнализации) о неблагоприятных или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизации или изменения хода процесса в самых разных сферах - от экологических ситуаций до политических событий.
Следует различать оперативные карты двух типов: одни рассчитаны на долговременное последующее использование и анализ (например, карты итогов голосования избирателей), а другие - на кратковременное применение для незамедлительной оценки какой-либо ситуации (например, карты стадий созревания сельскохозяйственных посевов).
Исходными данными для оперативного картографирования служат материалы аэрокосмической съемки, непосредственные наблюдения и замеры, статистические данные, результаты опросов, переписей, референдумов, кадастровая информация. А эффективность оперативного картографирования определяется тремя факторами:

• надежностью автоматической системы, скоростью ввода и обработки данных, удобством доступа к базам данных;
• хорошей читаемостью самих оперативных карт, простотой их внешнего оформления, что обеспечивает эффективное зрительное восприятие в условиях оперативного анализа ситуаций;
• оперативностью распространения карт и доставки их потребителям, в том числе с использованием для этого телекоммуникационных сетей.

Оперативное отображение состояния и изменения явлений теснейшим образом связано с автоматизированным изготовлением динамических карт . Они позволяют отразить не только структуру, но и существо явлений и процессов, происходящих в земной коре, атмосфере, гидросфере, биосфере и, что еще более важно, в зонах их контакта и взаимодействия. Динамическое картографирование, кроме того, является самым эффективным средством визуализации результатов мониторинга.

13.6. КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ АНИМАЦИИ

В традиционной картографии известны три способа отображения динамики явлений и процессов, их возникновения, развития, изменений во времени и перемещения в пространстве:

• показ динамики на одной карте с помощью стрелок или лент движения, «нарастающих» знаков и диаграмм, расширяющихся ареалов, изолиний скоростей изменения явлений и т.п.;
• показ динамики с помощью серий разновременных карт, снимков, фотокарт, блок-диаграмм и др., фиксирующих состояния объектов в разные моменты (периоды) времени;
• составление карт изменения состояний явления, когда показывается не сама динамика, а лишь результаты происшедших изменений (ареалы изменений).

Геоинформационное картографирование существенно расширяет возможности отображения динамики геосистем, вводя в практику картографические анимации (мультипликации) - особые динамические последовательности карт-кадров, создающие при демонстрации эффект движения. Анимации прочно вошли в повседневную жизнь, они стали столь же привычными, как космические снимки и электронные карты. Хорошо известным примером могут служить телевизионные карты прогноза погоды, на которых видны перемещения фронтов, областей высокого и низкого давления, атмосферные осадки.
Разработано множество технологий и методик получения движущихся изображений. Созданы особые компьютерные программы, которые содержат модули, обеспечивающие самые разные варианты и комбинации картографических анимаций:

• перемещение всей карты по экрану;
• мультипликационные последовательности карт-кадров или 3-мерных изображений;
• изменение скорости демонстрации, покадровый просмотр, возврат к избранному кадру, обратная последовательность;
• перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по карте;
• изменение вида элементов содержания (объектов, знаков), их размеров, ориентации, мигание знаков и др.;
• варьирование окраски (пульсация и дефилирование), изменение интенсивности, создание эффекта вибрации цвета;
• изменение освещенности или фона, «подсвечивание» и «затенение» отдельных участков карты;
• панорамирование, изменение проекции и перспективы (точки обзора, ракурса, наклона), вращение 3-мерных изображений;
• масштабирование (зуммирование) изображения или его части, использование эффекта «наплыва» или удаления объекта;
• создание эффекта движения над картой («облет» территории), в том числе с разной скоростью.

Анимации можно демонстрировать с нормальной (24 кадра в секунду), ускоренной или замедленной скоростью. Отсюда возникают совершенно новые для картографии проблемы временной генерализации, выбора изобразительных средств, изучения принципов восприятия читателями движущихся карт и т.п.
Динамические изображения добавляют традиционным статичным картам столь необходимый исследователям временной аспект. В связи с этим оправдано введение понятия масштаба времени (или временного масштаба). В определенном смысле можно говорить о медленно-, средне- и быстромасштабных изображениях. Например, одна секунда демонстрации анимационной карты соответствует (округленно) одним суткам или в одной секунде - один месяц.

13.7. ВИРТУАЛЬНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

Дальнейшее развитие геоинформационных технологий привело к созданию изображений, сочетающих свойства карты, перспективного снимка, блок-диаграммы и компьютерной анимации. Такие изображения получили название виртуальных. Этот термин имеет несколько смысловых оттенков: возможный, потенциальный, не существующий, но способный возникнуть при определенных условиях, временный или непродолжительно существующий, а главное - не реальный, но такой же, как реальный, неотличимый от реального. В машинной графике визуализация виртуальной реальности предполагает, прежде всего, применение эффектов трехмерности и анимации. Именно они создают иллюзию присутствия в реальном пространстве и возможности интерактивного взаимодействия с ним.
В картографии виртуальные модели понимаются как изображения реальных или мысленных объектов, формируемые и существующие в программно-управляемой среде. Как любое картографическое изображение, они имеют проекцию, масштаб и обладают генерализованностью. Сама же виртуальная реальность - это интерактивная технология, позволяющая воспроизводить реальные и (или) мысленные объекты, их связи и отношения в программно-управляемой среде.
Считается, что отказ от условных знаков, стремление придать виртуальным изображениям «натуральность», объемность, естественную окраску и освещение создает иллюзию реального существования объекта. Тем самым ускоряется процесс коммуникации, и повышается эффективность передачи пространственной информации.
Технологии создания виртуальных изображений многообразны. Обычно вначале по топографической карте, аэро- или космическому снимку создается цифровая модель, затем - трехмерное изображение местности. Его окрашивают в цвета гипсометрической шкалы либо совмещают с фотоизображением ландшафта и далее используют как реальную модель.
Одна из наиболее распространенных виртуальных операций - «облет» полученного изображения. Специальные программные модули обеспечивают управление полетом: движение по избранному направлению, развороты, изменение скорости, показ перспективы. С помощью клавиатуры и джойстика (манипулятора в форме рукоятки с кнопками) можно выдерживать полет на заданной высоте, с установленной скоростью, над точками с заранее избранными координатами. Кроме того, предусмотрены возможности выбора состояния неба (облачности), тумана, условий освещения местности, высоты Солнца, времени дня, эффектов дождя или снегопада и т.п. Модули редактирования позволяют дополнительно наносить новое тематическое содержание, менять текстуру местности, использовать цветные сетки и подложки, размещать надписи, выбирая размер и цвет шрифтов, добавлять тексты и даже звуки.
Крупномасштабные тематические виртуальные изображения дают довольно подробное представление о рельефе и ландшафте, геологическом строении, водных объектах, растительном покрове, городах, путях сообщения и т.п. Возможность интеграции разной тематической информации в единой модели - одно из главных достоинств виртуального изображения. Пролетая и «зависая» над горами, можно детально рассмотреть террасированность их склонов, провести морфометрические измерения, определить характер эрозионных и оползневых процессов, а двигаясь над городскими территориями, - оценить особенности застройки и распределения зеленых массивов, спроектировать размещение новых зданий и транспортных магистралей.
При виртуальном моделировании часто используют многоуровневую аппроксимацию . По одной и той же цифровой модели рельефа, ландшафта или растительного покрова выполняют несколько аппроксимаций с разными уровнями детальности. Это позволяет не ограничиваться увеличением или уменьшением масштаба, а переходить при необходимости на иной уровень детальности. Так возникает своеобразная мультиуровневая генерализация.
Наибольшее применение виртуальные изображения имеют при решении таких практических задач, как мониторинг районов природного риска, строительство зданий и автострад, прокладка трубопроводов, оценка загрязнения среды и распространения шумов от аэропортов и т.п. Возможно использование аналогичных технологий в научных и учебных целях, например для создания средне- и мелкомасштабных виртуальных изображений, в том числе глобусов. На глобусах изображают, скажем, природную зональность земного шара, ход климатических процессов, сезонные изменения растительного покрова и ландшафта, миграцию населения, движение транспортных потоков и т.д. Сюжеты виртуальных тематических карт столь же разнообразны, как и в традиционном картографировании.

13.8. ЭЛЕКТРОННЫЕ АТЛАСЫ

Создание капитальных атласов растягивается, как известно, на долгие сроки, и главной проблемой становится их устаревание, нередко еще в процессе подготовки. Электронные атласы - это удачная альтернатива бумажным. Они позволяют значительно сократить сроки составления, использовать в качестве носителей компакт-диски, применить анимации и мультимедийные средства. Такие атласы содержат карты высокого качества, имеют дружественный интерфейс и обычно снабжены хорошими справочно-поисковыми системами.
Существует несколько типов электронных атласов:

• атласы только для визуального просмотра («перелистывания»), так называемые вьюерные атласы;
• «интерактивные атласы», в которых предусмотрены возможности изменять оформление, способы изображения и даже классификации картографируемых явлений, увеличивать и уменьшать (масштабировать) изображение, получать бумажные копии карт;
• «аналитические атласы», позволяющие комбинировать и сопоставлять карты, проводить их количественный анализ и оценку, выполнять оверлей, пространственные корреляции, - по существу, это ГИС-атласы;
• атласы, размещенные в компьютерных телекоммуникационных сетях, например Интернет-атласы. В их структуре кроме карт и интерактивных средств обязательно присутствуют еще и средства поиска дополнительной информации и карт в сети.
• Карты комплексных электронных атласов содержат разные виды информационных слоев:
• многофункциональные базовые слои, используемые для многих карт;
• аналитические и синтетические слои по конкретной тематике;
• оперативно обновляемые тематические слои.

Все они могут входить в содержание разных карт атласа, скажем, базовый слой «геологическое строение» можно использовать не только для собственно геологической карты, но с той или иной генерализацией - для карт полезных ископаемых, гидрогеологической, инженерно-геологической, геоэкологической и др. Комбинирование слоев существенно упрощает трудоемкие процессы составления и взаимного согласования карт.
В большинстве стран созданы национальные электронные атласы. Как правило, они базируются на многотомных бумажных атласах. Однако электронные атласы не всегда повторяют свои бумажные прототипы именно в силу текущего обновления карт, появления новых сюжетов и даже частичного изменения структуры.
Впервые в истории украинского государства создан Национальный атлас Украины - картографическое произведение энциклопедического уровня. В Атласе отражен весь спектр знаний об современной территории Украины. Электронная версия сочетает в себе традиционные картографические подходы и современные геоинформационные технологии, которые призваны отражать всестороннюю информацию об истории, природных, социальных и экологических особенностях Украины начала XXI века.
Электронная версия Национального атласа Украины рассчитана на широкий круг пользователей. Массу полезной информации для себя найдут все: от школьников и студентов до специалистов-географов. Возможности работы с электронной версией зависят только от навыков и заинтересованности пользователей.
Атлас содержит 875 уникальных карт, которые созданы на базе новейших знаний и статистической информации, а также тексты, графики и фотографии. Он органично объединяет шесть тематических блоков.
Общая характеристика . Информация о геополитическое положение Украины, ее физико-географические условия и административное устройство, место в европейском и мировом природно-ресурсном, экономическом и демографическом потенциале.
История . Информация об основных этапах истории украинского народа и государства.
Природные условия и природные ресурсы . Информация об особенностях и качества природных условий страны, наличие и количество природных ресурсов.
Население . Информация о численности, размещении и движении населения, структура расселения, национальный состав, особенности демографического, социально-экономического и гуманитарного развития.
Экономика . Информация, отражающая уровень развития производительных сил Украины, структуру, специализацию и территориальную организацию хозяйства и общие тенденции трансформации экономики.
Экологическое состояние окружающей среды . Карты отражают комплексную оценку состояния и уровня загрязнения окружающей среды и отдельных компонентов природы, систему мониторинга, природно-заповедный фонд и другие охраняемые территории.
Электронная версия Национального атласа Украины - это уникальное собрание на одном диске большой информации об Украине, была подготовлена под руководством ведущих специалистов в своей области. Удобный интерфейс и простота в использовании являются залогом того, что вы легко найдете необходимую информацию.

, экономике , обороне .

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 (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) Шаблон:Nobr ; 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 (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов (GIS project), создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований (feasibility study), в том числе изучение требований пользователя (user requirements) и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль» (costs/benefits); системное проектирование ГИС (GIS designing), включая стадию пилот-проекта (pilot-project), разработку ГИС (GIS development); её тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (test area), прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа (prototype); внедрение ГИС (GIS implementation); эксплуатацию и использование. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой .

Задачи ГИС

• Ввод данных. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат (оцифрованы). В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера .
• Манипулирование данными (например, масштабирование).
• Управление данными. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов, а при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными применяются СУБД .
• Запрос и анализ данных - получение ответов на различные вопросы (например, кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промышленная зона? Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?).
• Визуализация данных. Например, представление данных в виде карты или графика.

Возможности ГИС

ГИС включают в себя возможности СУБД , редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне. ГИС позволяют решать широкий спектр задач - будь то анализ таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи.

ГИС-система позволяет:

• определить какие объекты располагаются на заданной территории;
• определить местоположение объекта (пространственный анализ);
• дать анализ плотности распределения по территории како-то явления(например плотность расселения);
• определить временные изменения на определенной площади);
• смоделировать, что произойдет при внесении изменений в расположение объектов (например, если добавить новую дорогу).

Классификация ГИС

По территориальному охвату:

• глобальные ГИС;
• субконтинентальные ГИС;
• национальные ГИС;
• региональные ГИС;
• субрегиональные ГИС;
• локальные или местные ГИС.

По уровню управления:

• федеральные ГИС;
• региональные ГИС;
• муниципальные ГИС;
• корпоративные ГИС.

По функциональности:

• полнофункциональные;
• ГИС для просмотра данных;
• ГИС для ввода и обработки данных;
• специализированные ГИС.

По предметной области:

• картографические;
• геологические;
• городские или муниципальные ГИС;
• природоохранные ГИС и т. п.

Если помимо функциональных возможностей ГИС в системе присутствуют возможности цифровой обработки изображений, то такие системы называются интегрированными ГИС (ИГИС). Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов, обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС оперируют пространственно-временными данными.

Области применения ГИС

• Управление земельными ресурсами, земельные кадастры. Для решения проблем, имеющих пространственную привязку и начали создавать ГИС. Типичные задачи - составление кадастров, классификационных карт, определение площадей участков и границ между ними и т. д.
• Инвентаризация, учет, планирование размещения объектов распределенной производственной инфраструктуры и управление ими. Например, нефтегазодобывающие компании или компании, управляющие энергетической сетью, системой бензоколонок, магазинов и т. п.
• Проектирование, инженерные изыскания, планировка в строительстве, архитектуре. Такие ГИС позволяют решать полный комплекс задач по развитию территории, оптимизации инфраструктуры строящегося района, требующегося количества техники, сил и средств.
• Тематическое картографирование.
• Управление наземным, воздушным и водным транспортом. ГИС позволяет решать задачи управления движущимися объектами при условии выполнения заданной системы отношений между ними и неподвижными объектами. В любой момент можно узнать, где находится транспортное средство, рассчитать загрузку, оптимальную траекторию движения, время прибытия и т. п.
• Управление природными ресурсами, природоохранная деятельность и экология. ГИС помогает определить текущее состояние и запасы наблюдаемых ресурсов, моделирует процессы в природной среде, осуществляет экологический мониторинг местности.
• Геология, минерально-сырьевые ресурсы, горнодобывающая промышленность. ГИС осуществляет расчеты запасов полезных ископаемых по результатам проб (разведочное бурение, пробные шурфы) при известной модели процесса образования месторождения.
• Чрезвычайные ситуации. С помощью ГИС производится прогнозирование чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений, землетрясений, селей, ураганов), расчет степени потенциальной опасности и принятие решений об оказании помощи, расчет требуемого количества сил и средств для ликвидации чрезвычайных ситуаций, расчет оптимальных маршрутов движения к месту бедствия, оценка нанесенного ущерба.
• Военное дело. Решение широкого круга специфических задач, связанных с расчетом зон видимости, оптимальных маршрутов движения по пересеченной местности с учетом противодействия и т. п.
• Сельское хозяйство. Прогнозирование урожайности и увеличения производства сельскохозяйственной продукции, оптимизация ее транспортировки и сбыта.

Сельское хозяйство

Перед началом каждого сельскохозяйственного сезона фермеры должны принять 50 важнейших решений: что выращивать, когда сеять, использовать ли удобрения и т. д. Любое из них может отразиться на урожайности и на конечном результате. Прежде фермеры принимали такие решения, основываясь на прошлом опыте, традиции или даже разговорах с соседями и другими знакомыми. Сегодня сельское хозяйство порождает больше данных с географической привязкой, чем большинство других отраслей. Данные поступают из различных источников: телеметрии машин, метеорологических станций, наземных датчиков, образцов почвы, наземного наблюдения, спутников и беспилотников. С помощью ГИС сельскохозяйственные компании могут собирать, обрабатывать и анализировать данные для максимизации ресурсов, мониторинга сохранности урожая и повышения урожайности .

Перевозки и логистика

Перемещение людей и вещей часто сопряжено с огромными логистическими трудностями. Представьте себе больницу, которая хочет предоставить своим пациентам в определенное время лучший и самый быстрый маршрут до дома, или орган местного самоуправления, который хочет организовать оптимальные маршруты автобусов и скоростных трамваев, или производителя, который хочет как можно эффективнее и экономичнее доставлять свои продукты, или нефтяную компанию, которая планирует прокладку трубопроводов. В каждом из этих случаев для принятия бизнес-решений на основе полной информации необходим анализ данных о местополождении.

Энергетика

В разведке запасов энергоносителей для определения экономической целесообразности добычи в той или иной местности используются спутниковые фотографии, геологические карты поверхности земли и дистанционное зондирование пластов. Энергетические компании используют огромный объем географических данных, поскольку промышленные сенсоры сейчас устанавливаются везде: лазерные сенсоры на самолетах, датчики на поверхности земли при бурении скважин, мониторы трубопроводов и т. д. Картографирование и пространственный анализ дают необходимые знания для принятия решений с соблюдением требований регуляторов о выборе площадок и локализации ресурсов.

Розничная торговля

В связи с тем, что потребители все шире используют смартфоны и носимые устройства, традиционные продавцы могут использовать геопространственную технологию для получения более полной картины поведения покупателей в прошлом и настоящем. Потому что геопространственные данные не сводятся к определению местоположения, а охватывают связанные с этим положением данные, такие как демографические характеристики покупателей или информацию о том, где в магазине люди проводят больше всего времени. Все эти данные можно использовать при выборе места для магазина, определении набора товаров и их размещении и т. д.

Оборона и разведка

Геопространственная технология изменила военные и разведывательные операции в любой части мира, где размещены воинские контингенты. Командование, аналитики и другие специалисты нуждаются в точных данных ГИС для решения своих задач. ГИС помогает оценивать ситуацию (создает полное визуальное представление тактической информации), проводить операции на суше (показывает условия местности, высоты, маршруты, растительный покров, объекты и населенные пункты), в воздухе (передает данные о погоде и видимости пилотам; направляет войска и снабжение, дает целеуказание) и на море (показывает течения, высоту волн, приливы и погоду).

Федеральное правительство

Своевременная и точная геопространственная разведка имеет важнейшее значение для принятия решений федеральными агентствами, которые отвечают за охрану и безопасность, инфраструктуру, управление ресурсами и качество жизни. ГИС позволяет организовать охрану и безопасность с операционной поддержкой, координировать оборону, реагирование на природные катастрофы, действия правоохранительных органов, органов национальной безопасности и экстренных служб. Что касается инфраструктуры, то ГИС помогает управлять ресурсами и активами, предназначенными для автомагистралей, портов, общественного транспорта и аэропортов. Федеральные агентства также используют ГИС для лучшего понимания актуальных и исторических данных, необходимых для управления сельским и лесным хозяйством, горнодобывающей промышленностью, водными и другими природными ресурсами.

Местные органы власти

Местные органы ежедневно принимают решения, напрямую затрагивающие жителей и приезжих. Начиная с ремонта дорог и коммунальных услуг и заканчивая оценкой стоимости земли и развитием территорий - везде картографические приложения применяются для анализа и интерпретации данных ГИС. Кроме того, население и ландшафт городов и поселков может сильно измениться за сравнительно короткое время. Чтобы адаптироваться к этим изменениям и обеспечить людям тот уровень обслуживания, которого они ожидают, местные органы власти широко применяют современную технологию ГИС для наблюдения за дорожным движением и дорожными условиями, качеством окружающей среды, распространением заболеваний, распределением предприятий коммунального хозяйства (например, электро- и водоснабжения и канализации), для управления парками и другими общественными участками земли, а также для выдачи разрешений на создание кемпингов, на охоту, рыбалку и т. д.

Структура ГИС

ГИС-система включает в себя пять ключевых составляющих:

• аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров;
• программное обеспечение. Cодержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической информации. К таким программным продуктам относятся: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации;
• данные. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД , применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных;
• исполнители. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники, которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы;
• методы.

История ГИС

Пионерский период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.)

Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.

• Появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах.
• Появление цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х.
• Создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров.
• Создание формальных методов пространственного анализа.
• Создание программных средств управления базами данных.

Период государственных инициатив (нач. 1970е - нач. 1980е гг.)

Государственная поддержка ГИС стимулировала развитие 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, появление пользовательских «клубов», телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

Структура ГИС

1. Данные (пространственные данные):
   • позиционные (географические): местоположение объекта на земной поверхности.
   • непозиционные (атрибутивные): описательные.
2. Аппаратное обеспечение (ЭВМ, сети, накопители, сканер, дигитайзеры и т. д.).
3. Программное обеспечение (ПО).
4. Технологии (методы, порядок действий и т. д.).

ГИС (ДубльГИС Барнаул)

Однозначное краткое определение этому явлению дать достаточно сложно. Географическая информационная система (ГИС) - это возможность нового взгляда на окружающий нас мир. Если обойтись без обобщений и образов, то ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий. Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС предоставляет новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Она автоматизирует процедуру анализа и прогноза. До начала применения ГИС лишь немногие обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия оптимальных решений, основанных на современных подходах и средствах. В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни тысяч людей во всем мире. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи. 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 (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) 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 (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов (GIS project), создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований (feasibility study), в том числе изучение требований пользователя (user requirements) и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль» (costs/benefits); системное проектирование ГИС (GIS designing), включая стадию пилот-проекта (pilot-project), разработку ГИС (GIS development); её тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (test area), прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа (prototype); внедрение ГИС (GIS implementation); эксплуатацию и использование. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

История 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.

• Появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах.
• Появление цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х.
• Создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров.
• Создание формальных методов пространственного анализа.
• Создание программных средств управления базами данных.

Период государственных инициатив (нач. 1970е - нач. 1980е гг.)

Государственная поддержка ГИС стимулировала развитие 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, появление пользовательских «клубов», телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

Принцип работы ГИС

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы. Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация, где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

Векторная и растровая модели

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.

Слои ГИС

Вся картографическая информация в ГИС организована в виде слоев. Слои, это самый первый уровень абстракции в ГИС. Работая с ГИС, мы обязаны разделить существующие у нас данные на слои. Каждый слой содержит объекты определенного вида, объединенные общими характеристиками. Работая в ГИС, мы можем подключать и отключать интересующие нас слои, или менять порядок их отображения. Слои бывают следующих типов:

Точечные

Точечные слои содержат объекты, которые можно абстрагировать до точки, например скважины или города. Ради ясности понимания даже город можно представить точкой.

Линейные

Эти объекты можно абстрагировать до ломаной или гладкой линии, например реки, дороги, или трубопроводы.

Полигональные или площадные

Объекты этого типа представляются как находящиеся в пределах некоторого полигона, например лицензионные участки.

Площадные объекты могут состоять из нескольких контуров. Это необходимо если требуется представить полигон с дыркой внутри. На рисунке представлен пример обычного полигона и полигона, состоящего из двух контуров.

Последняя точка полигона всегда должна совпадать с первой точкой. Правильно это или нет, но так уж повелось в геоинформационных системах. Таким образом, полигон не может иметь менее четырех точек. Если полигон имеет нулевую площадь, то есть вырождается, то его необходимо удалить. Полигон также не должен иметь самопересечений. Подобные недочеты позже могут привести к серьезным ошибкам в расчетах, и потому их следует избегать.

Изображения

Растровые графические изображения, привязанные к географическим координатам, например космоснимки или отсканированые карты.

Сеточные модели

Это структурные карты и карты параметров. Первоначально такие модели основывались на прямоугольной сетке, где в узлах сетки указано значение Z (параметра).

Теперь строение подобных моделей зачастую боле сложное, но по традиции их продолжают называть сетками или гридами. Современные гриды могут содержать разломы, области уточнения или быть основаны на сплайнах. Смысл сеточных моделей остается прежним: непрерывное представление параметра на определенной площади.

Сетка сплайнов отличается от обычной сетки тем, что ее поверхность является идеально гладкой, что более естественно для большинсва моделей. Сетки с разломами содержат дополнительные сегменты для моделирования ровного разрыва. На обычной сеточной модели разрыв получается ступенчатым. Сеточные модели, также называют картами в изолиниях.

Специальные виды слоев

Эти пять типов слоев стандартны для любой профессиональной ГИС, но кроме них могут существовать и другие, специальные типы данных, обусловленые областью применения данной системы. Например, это могут быть разломы (для моделирования сеток с разломами), растровые карты (для представления очень больших растровых изображений), 3D модели (для трехмерных моделей пластов).

Таблицы данных ГИС

Точки линии и полигоны имеют таблицы аттрибутивных данных для своих объектов.

Каждому объекту на карте соответствует строка в таблице данных. Используя таблицу данных можно находить и сортировать объекты, выделять их на карте по аттрибутам или смотреть атрибуты выделенных объектов. Атрибутивная таблица позволяет искать объекты, сортировать их, выделять по условиям, группировать, создавать фильтры, проводить вычисления. Таблица аттрибутов превращает ГИС в базу данных, в которой вы можете проводить анализ данных или управление данными при помощи развитых инструментов ГИС. Без таблиц аттрибутов геоинформационные системы не имели бы смысла, а карты в них не были бы картами, а были просто рисунками, как рисунки в CorelDraw или Paint.

Точки в составе линий и полигонов также имеют свои аттрибутивные таблицы. Так, например, сейсмопрофили можно загрузить вместе с данными по отпикированным горизонтам и использовать их для построения карт в изолиниях. Таблица данных поддерживает понятие выделенных объектов, такие строки в таблице помечены другим цветом. Выделенные объекты также, несколько иначе отображаются и на карте. Выделение объектов очень часто используется при анализе данных. Выделять объекты можно как в таблице, так и на карте, а также по заданным условиям.

Формирование слоев

Очень важной темой является правильное формирование структуры слоев. Полезность любой базы данных, и ГИС в том числе, сильно зависит от правильной структуры данных. Даже можно сформулировать следующее: полезность базы прямо пропорциональна ее правильной организации и порядку в данных. Если данные в базе содержат большое количество ошибок или неправильно организованы, то это может свести на нет все достоинтва базы данных как таковой. По этой причине важным является умение правильно структурировать информацию. Например, если вы загружаете данные сейсморазведки, то правильно будет объединить все сейсмопартии в одном слое, а не создавать несколько слоев групируя их по районам или площадям. Лучше придерживаться такого правила: один тип данных - одна таблица (или один слой). С другой стороны разнородные объекты лучше помещать в разные слои, даже если они объеденены общей тематикой. Так автодороги и железные дороги лучше разделить на два слоя, а потом поместить их в группу "Транспортные пути".

Координаты

Всем известно, что земля круглая, а карта плоская, и поверхность шара невозможно развернуть на плоскость без деформаций. По этой причине в картографии используют проекции. Поекции это правила и формулы преобразования одних координат в другие. Обычно используется преобразование из сферических (географических) координат в прамоугольные координаты (координаты карты). Проекции бывают равноплощадными или равноугольными, то есть сохраняют площадь объектов или углы. Иногда проекция может искажать и то и другое, минимизируя искажения вобщем. Для нашей страны стандартной сиситемой преобразования является система координат "42-ого года". Система "42-ого года" делит территорию земного шара на 60 зон, по 6 градусов. Тюменская область, например, находится в пределах 12-ой, 13-ой и 14-ой зон. "42-ой год" это равноплощадная проекция. ГИС устроены так, что могут хранить данные в одной системе координат, а отображать в другой. Поэтому необходимо не запутаться с тем, в какой системе координат хранятся данные, и в какой они отображены на карте. Чтобы уменьшить путаницу с проекциями Isoline поддерживает только два варианта исходных данных:

• Прямогугольные координаты (любые произвольные координаты, к которым не применяется никаких преобразований).
• Географические координаты (градусы, минуты, секунды, которые при отображении на карте пересчитываются в какую либо проекцию).

Вот варианты отображения одного и того же участка в разных системах координат и проекциях.

Проекция "поликоническая". Реальные координаты - градусы, отображаемые кординаты - градусы.

Проекция не установлена. Реальные координаты - "поликонические", отображаемые кординаты - прямоугольные.

Проекция не установлена. Реальные координаты - градусы, отображаемые кординаты - прямоугольные.

Проекция "поликоническая". Реальные координаты - "поликонические", отображаемые кординаты - прямоугольные.

Как видно из рисунков два верхних нас вполне устраивают, а третий и четвертый нет. Третий рисунок, на самом деле, вполне корректен, но проекция не указана, и поэтому мы видим изображение "как есть", в градусах. На четвертом рисунке мы попытались отобразить полигон, данные которого не градусы, в проекции "поликонической" и система нас не поняла. Из этого можно сделать следующее заключение: для прямоугольных координат устанавливать проекцию нельзя, так как в этом случае формулы преобразования применяются к ним второй раз, и изображение получается неверным.

Также необходимо принимать во внимание такой факт, что прямая проведенная в одной системе координат не является прямой в другой системе, а площади объектов могут отличаться, даже если проекции равноплощадные.

Прямоугольные координаты

"поликонические", без корректировки отображения.

Координатная сиситема Мольвейде.

поликонические", с корректировкой отображения.

Поэтому если вам нужны точные длины линий, точные площади, и точное отображение, то необходимо воспользоваться специальными средствами системы.

Задачи, которые решает ГИС

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод

Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование

Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление

В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ

При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация

Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Технологии, связанные с ГИС

ГИС тесно связана рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанциировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.

Системы САПР

Системы САПР способны чертежи проектов и планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами. Они основываются на небольшом числе правил объединения компонентов и имеют весьма ограниченные аналитические функции. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять и анализировать большие базы пространственных данных.

Дистанционное зондирование и GPS

Методы дистанционного зондирования - это искусство и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования или других устройств. Эти датчики собирают данные в виде изображений и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных изображений. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.

Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

Что ГИС могут сделать для Вас

Делать пространственные запросы и проводить анализ

Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниях сэкономить миллионы долларов. ГИС помогает сократить время получения ответов на запросы клиентов; выявлять территории подходящие для требуемых мероприятий; выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью с/х культур); выявлять места разрывов электросетей. Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдать более подробное описание этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от определенной магистрали, лесопаркового массива или места работы.

Улучшить интеграцию внутри организации

Многие применяющие ГИС организации обнаружили, что одно из основных ее преимуществ заключается в новых возможностях улучшения управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных и возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Возможность совместного использования и постоянно наращиваемая и исправляемая разными структурными подразделениями база данных позволяет повысить эффективность работы как каждого подразделения, так и организации в целом. Так, компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, например водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, и уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.

Принятие более обоснованных решений

ГИС, как и другие информационные технологии, подтверждает известную поговорку о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Однако, ГИС - это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и обмысливание доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффектный и эффективный.

Создание карт

Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться и оцифровкой обычных бумажных карт. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости. В крупных организациях созданная топографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями, при этом возможно быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

ГИС в России

Наибольшее распространение в России из зарубежных систем имеют: программный продукт ArcGIS компании ESRI , семейство продуктов GeoMedia корпорации Intergraph и MapInfo Professional компании Pitney Bowes MapInfo .

Из отечественных разработок широкое распространение получила программа ГИС Карта 2008 компании ЗАО КБ "Панорама" .

Используются также и другие программные продукты отечественной и зарубежной разработки: ГИС ИНТЕГРО , MGE корпорации Intergraph (использует MicroStation в качестве графического ядра), IndorGIS , STAR-APIC , ДубльГИС , Mappl , ГеоГраф ГИС , 4geo и пр.