Геоинформационные технологии. 
Информационные технологии

Геоинформационные технологии можно определить как совокупность программно-технологических, методических средств получения новых видов информации об окружающем мире. Они предназначены для повышения эффективности: процессов управления, хранения и представления информации, обработки и поддержки принятия решений. Это заключается во внедрении геоинформационных технологий в науку, производство, образование и применение в практической деятельности получаемой информации об окружающей реальности.

Геоинформационные технологии являются новыми информационными технологиями, направленными на достижение различных целей, включая информатизацию производственно-управленческих процессов. Особенностью геоинформационных систем (далее — ГИС) является то, что как информационные системы они являются результатом эволюции этих систем и поэтому включают в себя основы построения и функционирования информационных систем. ГИС как система включает множество взаимосвязанных элементов, каждый из которых связан прямо или косвенно с каждым другим элементом, а два любые подмножества этого множества не могут быть независимыми, не нарушая целостность, единство системы.

Еще одной особенностью ГИС является то, что она является интегрированной информационной системой. Интегрированные системы построены на принципах интеграции технологий различных систем. Они зачастую применяются настолько в разных областях, что их название часто не определяет все их возможности и функции. По этой причине не следует связывать ГИС с решением задач только геодезии или географии. «Гео» в названии геоинформационных систем и технологий определяет объект исследований, а не предметную область использования этих систем.

Интеграция ГИС с другими информационными системами порождает их многоаспектность. В ГИС осуществляется комплексная обработка информации от сбора данных до ее хранения, обновления и представления, поэтому следует рассмотреть ГИС с различных позиций.

Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения процесса принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, организации транспорта и розничной торговли, использованию океанов или других пространственных объектов. В отличие от информационных систем, в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных, объединенных с технологиями электронного офиса и оптимизации решений на этой основе. В силу этого ГИС является эффективным методом преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.

Как геосистемы ГИС интегрируют технологии сбора информации таких систем, как: географические информационные системы, системы картографической информации, автоматизированные системы картографирования, автоматизированные фотограмметрические системы, земельные информационные системы, автоматизированные кадастровые системы и т. п.

Как системы баз данных ГИС характерны широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе возможности текстовых и графических баз данных.

Как системы моделирования ГИС использует максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других информационных системах и в первую очередь в САПР.

Как системы получения проектных решений ГИС во многом используют концепции и методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются.

Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения с использованием современных технологий мультимедиа. Они обладают средствами деловой графики и статистического анализа и дополнительно к этому средствами тематического картографирования. Именно эффективность последнего обеспечивает разнообразное решение задач в разных отраслях при использовании интеграции данных на основе картографической информации.

Как прикладные системы ГИС не имеют себе равных по широте, так как применяются в транспорте, навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т. д.

Как системы массового использования ГИС позволяют использовать картографическую информацию на уровне деловой графики, что делает их доступными любому школьнику или бизнесмену, а не только специалисту географу. Именно поэтому принятие многих решений на основе ГИС-технологий не сводится к созданию карт, а лишь использует картографические данные.

Организация данных в ГИС. Тематические данные хранятся в ГИС в виде таблиц, поэтому проблем с их хранением и организацией в базах данных не возникает. Наибольшие проблемы представляет хранение и визуализация графических данных.

Основным классом данных ГИС являются координатные данные, содержащие геометрическую информацию и отражающие пространственный аспект. Основные типы координатных данных: точка (узлы, вершины), линия (незамкнутая), контур (замкнутая линия), полигон (ареал, район). На практике для построения реальных объектов используют большее число данных (например, висячий узел, псевдоузел, нормальный узел, покрытие, слой и др.). На рис. 3.1 показаны основные из рассмотренных элементов координатных данных [15].

Рассмотренные типы данных имеют большее количество разнообразных связей, которые можно условно разделить на три группы:

• • взаимосвязи для построения сложных объектов из простых элементов;
• • взаимосвязи, вычисляемые по координатам объектов;
• • взаимосвязи, определяемые с помощью специального описания и семантики при вводе данных.

В общем случае модели пространственных (координатных) данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, содержать или не содержать топологические характеристики. Этот подход позволяет классифицировать модели по трем типам: растровая модель; векторная нетопологическая модель; векторная топологическая модель. Все эти модели взаимно преобразуемы. Тем не менее при получении каждой из них необходимо учитывать их особенности. В ГИС форме представления координатных данных соответствуют два основных подкласса моделей: векторные и растровые (ячеистые или мозаичные). Возможен класс моделей, которые содержат характеристики как векторов, так и мозаик. Они называются гибридными моделями.

Рис. 3.1. Основные элементы координатных данных.

Графическое представление какой-либо ситуации на экране компьютера подразумевает отображение на экране различных графических образов. Сформированный графический образ на экране ЭВМ состоит из двух различных с точки зрения среды хранения частей — графической «подложки» или графического фона и других графических объектов. По отношению к этим другим графическим образам «образподложка» является «площадным», или пространственным двухмерным изображением. Основной проблемой при реализации геоинформационных приложений является трудность формализованного описания конкретной предметной области и ее отображения на электронной карте.

Таким образом, геоинформационные технологии предназначены для широкого внедрения в практику методов и средств информационного взаимодействия над пространственно-временными данными, представляемыми в виде системы электронных карт, и предметно-ориентированных сред обработки разнородной информации для различных категорий пользователей.

Рассмотрим более подробно основные графические модели.

Векторные модели широко применяются в ГИС. Они строятся на векторах, занимающих часть пространства, в отличие от занимающих все пространство растровых моделей. Это определяет их основное преимущество — требование на порядки меньшей памяти для хранения и меньших затрат времени на обработку и представление, а главное — более высокая точность позиционирования и представления данных. При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты — ареалы задаются наборами линий.

Векторные модели используются преимущественно в транспортных, коммунальных, маркетинговых приложениях ГИС. Системы ГИС, работающие в основном с векторными моделями, получили название векторных ГИС. В реальных ГИС имеют дело не с абстрактными линиями и точками, а с объектами, содержащими линии и ареалы, занимающими пространственное положение, а также со сложными взаимосвязями между ними. Поэтому полная векторная модель данных ГИС отображает пространственные данные как совокупность следующих основных частей: геометрические (метрические) объекты (точки, линии и полигоны); атрибуты — признаки, связанные с объектами; связи между объектами. Векторные модели (объектов) используют в качестве элементарной модели последовательность координат, образующих линию. Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются через базовый элемент линия следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия — как линия конечной длины, а площадь представляется последовательностью связанных между собой отрезков. Каждый участок линии может являться границей для двух ареалов либо двух пересечений (узлов). Отрезок общей границы между двумя пересечениями (узлами) имеет разные названия, которые являются синонимами в предметной области ГИС. Специалисты по теории графов предпочитают слову «линия» термин «ребро», а для обозначения пересечения употребляют термин «вершина». Национальным стандартом США официально санкционирован термин «цепь». В некоторых системах (Arclnfo, GeoDraw) используется термин «дуга». В отличие от обычных векторов в геометрии, дуги имеют свои атрибуты. Атрибуты дуг обозначают полигоны по обе стороны от них. По отношению к последовательному кодированию дуги эти полигоны именуются левый и правый. Понятие дуги (цепи, ребра) является фундаментальным для векторных ГИС.

Векторные модели получают разными способами. Один из наиболее распространенных — векторизация сканированных (растровых) изображений.

Векторизация — процедура выделения векторных объектов с растрового изображения и получение их в векторном формате. Для векторизации необходимо высокое качество (отчетливые линии и контуры) растровых образов. Чтобы обеспечить требуемую четкость линий иногда приходится заниматься улучшением качества изображения.

При векторизации возможны ошибки, исправление которых осуществляется в два этапа:

• 1) корректировка растрового изображения до его векторизации;
• 2) корректировка векторных объектов.

Векторные модели с помощью дискретных наборов данных отображают непрерывные объекты или явления. Следовательно, можно говорить о векторной дискретизации. При этом векторное представление позволяет отразить большую пространственную изменчивость для одних районов, чем для других, по сравнению с растровым представлением, что обусловлено более четким показом границ и их меньшей зависимостью от исходного образа (изображения), чем при растровом отображении. Это типично для социальных, экономических, демографических явлений, изменчивость которых в ряде районов более интенсивна.

Некоторые объекты являются векторными по определению, например границы соответствующего земельного участка, границы районов и т. д. Поэтому векторные модели обычно используют для сбора данных координатной геометрии (топографические записи), данных об административно-правовых границах и т. п.

Особенности векторных моделей: в векторных форматах набор данных определен объектами базы данных. Векторная модель может организовывать пространство в любой последовательности и дает «произвольный доступ» к данным. В ней легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, например, анализ сети — разработка маршрутов движения по сети дорог, замена условных обозначений. В растровых форматах точечный объект должен занимать целую ячейку. Это создает ряд трудностей, связанных с соотношением размеров растра и размера объекта.

Что касается точности векторных данных, то здесь можно говорить о преимуществе векторных моделей перед растровыми, так векторные данные могут кодироваться с любой мыслимой степенью точности, которая ограничивается лишь возможностями метода внутреннего представления координат. Обычно для представления векторных данных используется 8 или 16 десятичных знаков (одинарная или двойная точность). Только некоторые классы данных, получаемых в процессе измерений, соответствуют точности векторных данных: это данные, полученные точной съемкой (координатная геометрия); карты небольших участков, составленные по топографическим координатам и политические границы, определенные точной съемкой.

Не все природные явления имеют характерные четкие границы, которые можно представить в виде математически определенных линий. Это обусловлено динамикой явлений или способами сбора пространственной информации. Почвы, типы растительности, склоны, место обитания диких животных — все эти объекты не имеют четких границ. Обычно линии на карте имеют толщину 0,4 мм и, как часто считается, отражают неопределенность положения объекта. В растровой системе эта неопределенность задается размером ячейки. Поэтому следует помнить, что в ГИС действительное представление о точности дают размер растровой ячейки и неопределенность положения векторного объекта, а не точность координат. Для анализа связей в векторных моделях необходимо рассмотреть их топологические свойства, т. е. рассмотреть топологические модели, которые являются разновидностью векторных моделей данных.

В растровых моделях дискретизация осуществляется наиболее простым способом — весь объект (исследуемая территория) отображается в пространственные ячейки, образующие регулярную сеть. Каждой ячейке растровой модели соответствует одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет, плотность) участок поверхности. Ячейка модели характеризуется одним значением, являющейся средней характеристикой участка поверхности. Эта процедура называется пикселизацией. Растровые модели делятся на регулярные, нерегулярные и вложенные (рекурсивные или иерархические) мозаики. Плоские регулярные мозаики бывают трех типов: квадрат (рис. 3.2), треугольник и шестиугольник (рис. 3.3).

Рис. 3.2. Мозаика-квадрат.

Рис. 3.3. Мозаика-треугольник и шестиугольник.

Квадратная форма удобна при обработке больших объемов информации, треугольная — для создания сферических поверхностей. В качестве нерегулярных мозаик используют треугольные сети неправильной формы (Triangulated Irregular Network — TIN) и полигоны Тиссена (рис. 3.4). Они удобны для создания цифровых моделей отметок местности по заданному набору точек.

Таким образом, векторная модель содержит информацию о местоположении объекта, а растровая — о том, что расположено в той или иной точке объекта. Векторные модели относятся к бинарным или квазибинарным.

Рис. 3.4. Полигоны Тиссена

Если векторная модель дает информацию о том, где расположен тот или иной объект, то растровая — информацию о том, что расположено в той или иной точке территории. Это определяет основное назначение растровых моделей — непрерывное отображение поверхности. В растровых моделях в качестве атомарной модели используют двухмерный элемент пространства — пиксель (ячейка). Упорядоченная совокупность атомарных моделей образует растр, который, в свою очередь, является моделью карты или геообъекта. Векторные модели относятся к бинарным или квазибинарным. Растровые позволяют отображать полутона и цветовые оттенки. Как правило, каждый элемент растра или каждая ячейка должны иметь лишь одно значение плотности или цвета. Это применимо не для всех случаев. Например, когда граница двух типов покрытий может проходить через центр элемента растра, элементу дается значение, характеризующее большую часть ячейки или ее центральную точку.

Ряд систем позволяет иметь несколько значений для одного элемента растра. Для растровых моделей существует ряд характеристик: разрешение, значение, ориентация, зоны, положение.

Разрешение — минимальный линейный размер наименьшего участка отображаемого пространства (поверхности), отображаемый одним пикселем. Пиксели обычно представляют собой прямоугольники или квадраты, реже используются треугольники и шестиугольники. Более высоким разрешением обладает растр с меньшим размером ячеек. Высокое разрешение подразумевает обилие деталей, множество ячеек, минимальный размер ячеек.

Значение — элемент информации, хранящийся в элементе растра (пикселе). Поскольку при обработке применяют типизированные данные, т. е. необходимость определить типы значений растровой модели. Тип значений в ячейках растра определяется как реальным явлением, так и особенностями ГИС. В частности, в разных системах можно использовать разные классы значений: целые числа, действительные (десятичные) значения, буквенные значения. Целые числа могут служить характеристиками оптической плотности или кодами, указывающими на позицию в прилагаемой таблице или легенде. Например, возможна следующая легенда, указывающая наименование класса почв: О — пустой класс, 1 — суглинистые, 2 — песчаные, 3 — щебнистые и т. п.

Ориентация — угол между направлением на север и положением колонок растра.

Зона растровой модели включает соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковое значение. Зоной могут быть отдельные объекты, природные явления, ареалы типов почв, элементы гидрографии и т. п. Для указания всех зон с одним и тем же значением используют понятие «класс зон». Естественно, что не во всех слоях изображения могут присутствовать зоны. Основные характеристики зоны — ее значение и положение.

Буферная зона — зона, границы которой удалены на известное расстояние от любого объекта на карте. Буферные зоны различной ширины могут быть созданы вокруг выбранных объектов на базе таблиц сопряженных характеристик.

Положение обычно задается упорядоченной парой координат (номер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положение каждого элемента отображаемого пространства в растре. Проводя сравнение векторных и растровых моделей, отметим удобство векторных для организации и работы со взаимосвязями объектов. Тем не менее, используя простые приемы, например, включая взаимосвязи в таблицы атрибутов, можно организовать взаимосвязи и в растровых системах.

Необходимо остановиться на вопросах точности отображения в растровых моделях. В растровых форматах в большинстве случаев неясно, относятся ли координаты к центральной точке пикселя или к одному из его углов. Поэтому точность привязки элемента растра определяют как ½ ширины и высоты ячейки.

Растровые модели имеют следующие достоинства:

• • растр не требует предварительного знакомства с явлениями, данные собираются с равномерно расположенной сети точек, что позволяет в дальнейшем на основе статистических методов обработки получать объективные характеристики исследуемых объектов. Благодаря этому растровые модели могут использоваться для изучения новых явлений, о которых не накоплен материал. В силу простоты этот способ получил наибольшее распространение;
• • растровые данные проще для обработки по параллельным алгоритмам и этим обеспечивают более высокое быстродействие по сравнению с векторными;
• • некоторые задачи, например создание буферной зоны, намного проще решать в растровом виде;
• • многие растровые модели позволяют вводить векторные данные, в то время как обратная процедура весьма затруднительна для векторных моделей;
• • процессы растеризации намного проще алгоритмически, чем процессы векторизации, которые зачастую требуют экспертных решений.

Цифровая карта может быть организована в виде множества слоев (покрытий или карт подложек). Слои в ГИС представляют набор цифровых картографических моделей, построенных на основе объединения (типизации) пространственных объектов, имеющих общие функциональные признаки. Совокупность слоев образует интегрированную основу графической части ГИС. Пример слоев интегрированной ГИС представлен на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Пример слоев интегрированной ГИС.

Важным моментом при проектировании ГИС является размерность модели. Применяют двухмерные модели координат (2D) и трехмерные (3D). Двухмерные модели используются при построении карт, а трехмерные — при моделировании геологических процессов, проектировании инженерных сооружений (плотин, водохранилищ, карьеров и др.), моделировании потоков газов и жидкостей.

Существует два типа трехмерных моделей:

• 1) псевдотрехмерные, когда фиксируется третья координата;
• 2) истинное трехмерное представление.

Большинство современных ГИС осуществляют комплексную обработку информации:

• • сбор первичных данных;
• • накопление и хранение информации;
• • различные виды моделирования (семантическое, имитационное, геометрическое, эвристическое);
• • автоматизированное проектирование;
• • документационное обеспечение.

Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

• 1) по функциональным возможностям:
  • • полнофункциональные ГИС общего назначения,
  • • специализированные ГИС ориентированы 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) пространственному (территориальному) охвату:
  • • глобальные (планетарные),
  • • общенациональные,
  • • региональные,
  • • локальные (в том числе муниципальные);
• 3) проблемно-тематической ориентации:
  • • общегеографические,
  • • экологические и природопользовательские,
  • • отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.);
• 4) способу организации географических данных:
  • • векторные,
  • • растровые,
  • • векторно-растровые ГИС.

В качестве источников данных для формирования ГИС служат:

• • картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС. Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда графические оригиналы карт преобразуются в цифровой вид;
• • данные дистанционного зондирования (далее — ДДЗ) все шире используются для формирования баз данных ГИС. К ДДЗ прежде всего относят материалы, получаемые с космических носителей. Для дистанционного зондирования применяют разнообразные технологии получения изображений и передачи их на Землю, носители съемочной аппаратуры (космические аппараты и спутники) размещают на разных орбитах, оснащают разной аппаратурой. Благодаря этому получают снимки, отличающиеся разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр экологических задач, решаемых с применением ДДЗ. К методам дистанционного зондирования относятся аэрои 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;
• • материалы полевых изысканий территорий включают данные топографических, инженерно-геодезических изысканий, кадастровой съемки, геодезические измерения природных объектов, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPSприемниками, а также результаты обследования территорий с применением геоботанических и других методов, например, исследования по перемещению животных, анализ почв и др.;
• • статистические данные содержат данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т. д.));
• • литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов).

В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

Основные области использования ГИС:

• • электронные карты;
• • городское хозяйство;
• • государственный земельный кадастр;
• • экология;
• • дистанционное зондирование;
• • экономика;
• • специальные системы военного назначения.

На практике наиболее хорошо себя зарекомендовали для работы с мелкомасштабными «природными» картами (геология, сельское хозяйство, навигация, экология и т. п.) такие ГИС, как Arclnfo и ArcView GIS. Обе системы разработаны американской компанией ESRI (www. esri.com, www.dataplus.ru) и весьма распространены в мире.

Из относительно простых западных ГИС, которые начинали свою родословную с анализа территорий в объеме, необходимом для бизнеса и относительно простых применений, можно назвать систему Maplnfo, которая также распространена в мире весьма широко. Эта система очень быстро прогрессирует и сегодня может составить конкуренцию самым развитым ГИС.

Корпорацией Intergraph (www.intergraph.com) поставляется ГИС MGE, базирующаяся на основе AutoCAD-подобной системы MicroStation, выпускаемой в свою очередь компанией Bendy. Система MGE представляет собой целое семейство различных программных продуктов, помогающих решать набольшее множество задач, существующих в области геоинформатики.

Все указанные продукты имеют и интернет-ГИС-серверы, позволяющие публиковать цифровые карты в Интернете. Правда, приходится говорить только о вьюерах, поскольку обеспечить сегодня редактирование топологических карт со стороны удаленного клиента Интернета нельзя по причине недостаточной развитости как ГИС-, так и интернеттехнологий.

Буквально недавно вышла на рынок ГИС и Microsoft, подтвердив тем самым, что ГИС станет в ближайшем будущем такой системой, которую должен иметь на своем компьютере всякий мало-мальски уважающий себя пользователь, как он имеет сегодня у себя Excel или Word. Microsoft выпустила продукт MapPoint (Microsoft MapPoint 2000 Business Mapping Software), который войдет в состав Office 2000. Эта компонента офисного продукта будет ориентирована в основном на бизнес-планирование и анализ.

Повторением концепции Arclnfo, но сильно уступающей последней по функциональной полноте является отечественная система GeoDraw, разработанная в ЦГИ ИГРАН (г. Москва). Возможности ее ограничены сегодня в основном мелкомасштабными картами. С нашей точки зрения, значительно «сильнее» здесь выглядит «старейшина» отечественной геоинформатики — ГИС Sinteks ABRIS. В последней хорошо представлены функции по анализу пространственной информации.

В геологии сильны позиции ГИС ПАРК (Ланэко, г. Москва), в которой также реализованы уникальные методы моделирования соответствующих процессов.

Наиболее «продвинутыми» в области представления и дежурства крупномасштабных насыщенных карт городов и генеральных планов крупных предприятий можно считать две отечественные системы: GeoCosm (ГЕОИД, г. Геленджик) и «ИнГео» (ЦСИ «Интегро», г. Уфа, www.integro.ru). Эти системы — одни из самых молодых и потому разрабатывались сразу с использованием самых современных технологий. А систему «ИнГео» разрабатывали даже не столько геодезисты, сколько специалисты, относящие себя к профессионалам в области имитационного моделирования и кадастровых систем.

В целом в России едва ли не в каждой организации создают свою ГИС. Однако, этот процесс — весьма непростой, и вероятность его завершения неудачно несравненно более высока, чем вероятность беспроблемной реализации, не говоря уже о возможности выхода коммерческого продукта, допускающего отчуждение от разработчиков.