Лекция 1
Географическая информационная система (ГИС)
Географическая информационная система - информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных).
Таким образом, ГИС - это информационная система, предназначенная для манипулирования данными о территориальных объектах. ГИС предназначены для решения научных и прикладных задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой и территориальной организацией общества.
Основу ГИС составляют автоматизированные картографические системы, а главными источниками информации служат различные геоизображения.
Пример ГИС.
Основа ГИС технологии – данные, однако знать свои координаты явно недостаточно, если только вы не плывете на корабле. На какой я улице, где ближайший отель и как к нему проехать? К сожалению лишь небольшое количество подобных данных было доступно, а их цена оставляла желать лучшего. В настоящее время усиленными темпами идет накопление данных и средств их использования и интеграции с другими системами.
Понятие ГИС - геоинформационной системы до сих пор связывается у нас с чем-то архисложным, военно-строительным и частным гражданам недоступным. Поэтому естественно жители средневекового, испещренного каналами бельгийского города Брюгге были удивлены толпой бизнесменов, группами пробирающихся в сумерках по городу со светящимися мобильными телефонами в руках. Горожане стали свидетелями демонстрации одной из последних новинок геоинформационных систем – разработки фирмы Tele Atlas North America, Menlo Park, Калифорния.
В ночь конференции в Брюгге участников разделили на группы 10-12 человек, и каждой группе был выдан мобильный телефон со специальной программой. Дальше последовали обед, развлечения и экскурсия по городу под управлением мобильного телефона, оснащенного ГИС программой. Инструкции появлялись на экране, указывая, куда направиться дальше. Дополнительно сообщались полезные сведения (дата постройки дома, ближайшие рестораны и пр.)
Такие возможности выглядят несколько фантастическими, однако такая технология и инфраструктура уже развернута в Европе и Японии и скоро будет доступна в США. Однако, несмотря на огромные достижения, рынок ГИС развивается пока в большой степени за счет корпоративных информационных систем.
В последние 3 года рынок ГИС изменился существенно, и теперь эта технология заняла законное место в информационных корпоративных технологиях наряду с CRM или ERP.
Департамент сельского хозяйства США, например, вводит единую ГИС систему для своих многочисленных агентств. Американская лесная служба использует ГИС систему с данными о возможных источниках пожаров – дорогах, предприятиях, городах. При начале пожара имеется возможность его быстрого картирования и прогноза распространения.
Разработка структуры цифровых карт.
Классификаторы
Результатом выполнения приведенных в предыдущей главе действий является создание классификатора цифровой картографической информации, который представляет систематизированный иерархический перечень элементов банка данных и их свойств, а так же правила, согласно которым производится классификация. Классификатор в составе ГИС выполняет функции реестра информации, которая может содержаться в системе и кодировщика этой информации, которая необходима для компактного представления ее в памяти ЭВМ. Функция кодировщика состоит в том, что каждому виду данных системы присваивается уникальное кодовое слово (набор чисел и символов), при этом кодовое слово должно включать в себя информацию о принадлежности конкретного типа данных к определенной ступени классификации. Основные требования к классификаторам заключаются в следующем:
- правила классификации должны быть такими, что любой объект, принадлежащий системе, можно было бы однозначно отнести к определенной классификационной группе и только к ней.
- классификация должна быть универсальной, т.е. охватывать все объекты, которые попадают в систему или могут быть привнесены в нее в будущем.
- классификация должна быть гибкой, т.е. при создании новых классификационных групп не должна нарушаться логическая стройность всей системы.
- выбранный метод кодировки значений классификатора должен иметь достаточную информационную мощность.
Построение классификации является трудоемким делом и требует от специалиста занимающегося ею высокой квалификации и хорошего знания предметной области. Основной проблемой при построении классификации является то, что она может быть построена различными путями (по различным наборам признаков) и выбрать среди них наиболее рациональный достаточно сложно.
Пример
Рассмотрим применение основных принципов построения классификатора на примере банка данных, содержащего цифровые топографические карты различных масштабов и являющегося составной частью ГИС предназначенной для отображения на экране компьютера топографических карт в условных знаках и подписях, принятых для карт различных масштабов и поиска объектов по определенным семантическим характеристикам. Системным отношением в данном случае является принадлежность данного типа объектов к топографической карте определенного масштаба, а классификация осуществляется по иерархическому и тематическому признакам.
При переходе от более крупного масштаба к более мелкому, объекты, отображаемые на картах, подвергаются процессу генерализации. Суть генерализации состоит в том, что метрическая и семантическая информация, содержащаяся на картах обобщается: группы мелких объектов объединяются в один объект, контуры объектов сглаживаются, характеристики усредняются. Таким образом, имея в виду, что формируемая нами база данных должная быть интегрированной, мы приходим к выводу, что необходимо ввести иерархическую классификацию, отражающую процесс обобщения семантической информации во время генерализации.
Для решения вопроса о классификации по тематическому признаку примем во внимание следующее соображение. Средняя разрешающая способность лучших современных мониторов составляет около 1024 пикселей. Разрешение обычной топографической карты - около 0.05 мм. Отсюда мы видим, что для того, чтобы избежать совмещения объектов друг с другом на экране компьютера мы должны отобразить каждый кв. мм. карты на квадрате экрана размером 20 на 20 пикселей. Тогда на всем мониторе разместится квадрат исходной карты размером всего 50 на 50 мм. Средством для уменьшения плотности объектов и, следовательно, для увеличения пространства обзора, является временное скрытие объектов, которые не нужны для работы в данный момент. Логичнее всего такое скрытие проводить именно по тематическому признаку. Например, если мы решаем задачу о выборе наилучшей трассы для прокладки железной дороги, то мы можем отобразить на экране только данные о рельефе и населенных пунктах, которые должна соединять эта дорога. Таким образом, наличие тематического деления позволит быстро находить и отображать на экране нужные типы объектов и наоборот, скрывать ненужные в данный момент для работы типы объектов, тем самым улучшая читаемость карты.
Векторные модели
Слово "векторная" в названии моделей означает, что в основе этих моделей лежит представление объектов в виде совокупности их границ, которые в свою очередь представляются как последовательность координат вершин (или пикетов) ломаной линии, которая эту границу с заданной точностью аппроксимирует.
Абстрактная карта: отображение многомерных данных.
Различные многомерные данные, которые являются предметом, например, кластерного анализа, также могут отображаться в ГИС. Определившись с двумя-тремя независимыми переменными, можно "направить" их по координатным осям в некотором абстрактном метрическом пространстве и отображать удивительные карты распределения зависимых величин как точки (объекты) в этом пространстве.
Моделирование рынка недвижимости.
Прямой коммерческий интерес для риэлтерских фирм, а также для городской власти, представляет моделирование рынка недвижимости, поскольку недвижимость распределена по территории города, и её (недвижимости) рыночная цена определяется многими факторами, имеющими пространственный аспект (например, транспортная доступность и близость к различным центрам влияния).
Анализ и моделирование
Графо-аналитические операции
Графо-аналитические операции. Как уже упоминалось, цифровые карты, имеющие топологическую структуру представляют собой пространственный граф. т.е. набор точек на местности (узлов), соединенных ломаными линиями - дугами. Многие объекты окружающей среды можно представить в виде графа, например дорожную сеть, речную сеть, сеть трубопроводов и т.д. Такое представление объектов дает возможность применить для различных расчетов мощный математический аппарат, предназначенный для решения различных задач на графах: для дорожной сети это задачи выбора оптимальной схемы перевозок, задача определения наикратчайшего маршрута и т.д.
Рассмотрим общую схему решения задач на графах при помощи ГИС. Поскольку каждая дуга графа представляет собой определенный пространственный объект, следовательно, каждой дуге графа может быть поставлено в соответствие некоторое число - одна из характеристик объекта, например его длина, расход воды, качество дорожного покрытия и т.д. Операция присваивания таких чисел дугам графа называется операцией взвешивания графа, а ее результаты можно условно назвать "таблицей взвешивания графа". Возможно, для решения некоторых задач потребуется построение нескольких таких таблиц, содержащих значения различных характеристик. Далее для решения задач на графах необходимо определить аналитическое представление графа. Одним из способов такого представления является упоминаемая выше топологическая таблица цифровой карты, которая содержит все сведения о дугах и узлах.
После передачи указанных входных данных на вход вычислительной процедуры и производства вычислений мы можем получить выходные данные в двух видах, в зависимости от вида решаемой задачи : в виде таблицы взвешивания графа, содержащей значения производных характеристик, являющихся решением задачи либо в виде списка дуг графа.
Например, при решении задачи о нахождении кратчайшего маршрута мы передаем на вход процедуры таблицу взвешивания графа содержащую длины каждой из дуг, а на выходе получаем список дуг графа в определенной последовательности, определяющей наикратчайший маршрут.
В большинстве общераспространенных программных продуктов ГИС модули, выполняющие графо-аналитические операции отсутствуют т.к. как правило эти задачи специфичны для различных областей применения. Поэтому в большинстве случаев, при проектировании и создании ГИС приходится программировать эти задачи самостоятельно на основе имеющихся в ГИС-программных средствах разработки дополнительных модулей.
Архитектура ГИС
Решение технологических проблем
Когда определение концепции системы завершено и определены базовые функции системы, коллектив разработчиков может приступить к началу проектирования и разработки программ. И тут же встают первые проблемы технологического характера.
Заключение
Итак, мы рассмотрели основы применения ГИС. Большинство задач по управлению территорией базируется на использовании одинаковой исходной информации. Например, карта дорожной сети может использоваться при расчетах схемы оптимального движения грузового автотранспорта, при оценке влияния движения грузового автотранспорта на окружающую среду, при проведении реконструкции дорожной сети и проектировании новых дорог. При соблюдении определенных правил в организации банка данных, ГИС может стать базовой системой для решения сразу целого комплекса задач, даже если при первоначальном проектировании ГИС их решение не предполагалось. Это является следствием того, что в основу ГИС положены самые общие принципы организации, хранения и обработки пространственно- распределенной информации. Таким образом одни из главных свойств ГИС - ее гибкость и универсальность и послужили росту популярности геоинформационных систем при автоматизации решения различных задач управления территориями.