1 ЛЕКЦИЯ «ГЕОИНФОРМАТИКА»
1.1 Цель лекции
Ознакомить студентов с основными понятиями о геоинформатике и географических информационных системах, ее связь с другими науками. Определение их классификации и структуры.
1.2 Теоретические сведения
1.2.1 Геоинформатика
Термин «геоинформатика» состоит из сочетания слов «география», «информатика» и «автоматика».
В настоящее время под геоинформатикой принято понимать научно-технический комплекс, объединяющий одноименную отрасль научного знания, технологию и прикладную (производственную) деятельность, которые связаны с разработкой и реализацией географических информационных систем, или ГИС.
Существует три подхода к трактовке геоинформатики:
¾ научно-познавательный подход, трактующий геоинформатику как научную дисциплину, которая изучает природные и социально-экономические геосистемы, а именно их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве и во времени посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и географических знаний;
¾ технологический подход, рассматривающий геоинформатику как ГИС-технологию сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации для решения задач инвентаризации, оптимизации и управления геосистемами;
¾ производственный подход, относящий геоинформатику к производству, или геоинформационной индустрии, цель которой – изготовление аппаратных средств и программных продуктов, включая создание баз и банков данных, систем управления, стандартных (коммерческих) ГИС разного целевого назначения и проблемной ориентации, формирование ГИС-инфраструктуры и организация маркетинга.
Таким образом, геоинформатика существует в трех ипостасях как наука, техника и производство (но упор, безусловно, будем делать на научную компоненту).
Геоинформатику как любую науку определяет ее предмет и метод исследования.
Геоинформатика, как и география, исследует объекты, т. е. природные, общественные и природно-общественные геосистемы. Они составляют предмет геоинформатики.
Особое значение имеют такие взаимосвязанные понятия (Рисунок 1), как данные, информация и знания, имеющие основополагающее значение для геоинформатики, при этом геоинформатика имеет дело с географическими данными, информацией и знаниями, тематически разнообразными, сопоставимыми, координированными, масштабированными и генерализованными в пространстве и времени.
Под данными следует понимать зарегистрированные факты, описания явлений реального мира или идей, которые представляются достаточно ценными для того, чтобы их сформулировать и точно зафиксировать, например, цифровом, графическом, табличном и др.
Информация – одно из свойств предметов, явлений и процессов объективной действительности и отражает смысл, вкладываемый человеком в данные.
Знания представляют собой отражение семантических аспектов реального мира в мозгу человека или технической системе (система искусственного интеллекта), интерпретацию информации об окружающих объектах и явлениях.
 |
Рисунок 1 – Взаимосвязанные понятия
1.2.2 Связь с другими науками
Современная геоинформатика самым тесным образом связана с картографией и дистанционным зондированием (Рисунок 2).
 |
Рисунок 2 – Связь с науками
Отдельные отрасли перекрываются и тесно взаимодействуют между собой в процессе получения, обработки и анализа пространственной информации.
Но при всем этом за каждой из областей науки сохраняется ее предмет создания, исследования и использования: за картографией – карта, за дистанционным зондированием – снимок, за геоинформатикой – геоинформационная система.
1.2.3 Определение ГИС. Их классификация и структура
Система – это группа взаимосвязанных элементов и процессов.
Информационная система – это система, выполняющая процедуры над данными для получения информации, полезной для принятия решений.
Геоинформационная система – это информационная система, использующая географически координированные данные.
К географически координированным данным (Geographically referenced data) относятся:
¾ географические широта и долгота;
¾ прямоугольные координаты X и Y;
¾ почтовые адреса;
¾ почтовые индексы и иные коды, идентифицирующие предварительно разграниченные участки территории;
¾ местоположение, зафиксированное на карте.
ГИС – это система аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, созданная для цифровой поддержки, пополнения, управления, манипулирования, анализа, математико-картографического моделирования и образного отображения географически координированных данных.
Сердце всякой ГИС составляет автоматизированная картографическая система, или АКС, – комплекс приборов и программных средств, обеспечивающих создание и использование карт. АКС состоит из ряда подсистем, важнейшими из которых являются:
1. Подсистема сбора данных. Собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Данная подсистема отвечает за преобразования различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).
Данная подсистема ГИС может быть соотнесена с процессом картографирования, т. е. сбором данных и компиляцией (составлением) карт.
Исходная информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование (процесс получения информации о поверхности Земли (и др. космических тел), объектах, расположенных на ней или в ее недрах, дистанционными методами, неконтактные методы изучения поверхности), геодезические работы (область науки о пространственном положении объектов; совокупность геодезических данных, необходимых для создания карты и определения положения объектов на карте по широте, долготе и абсолютной высоте), словесные описания и зарисовки, данные статистики и т. Д.
Использование компьютера и других электронных устройств, например дигитайзера (состоит из плоского стола (tablet) и съемника информации) или сканера, позволяет проводить подготовку исходных данных для записи, или кодирования точек, линий и областей к их дальнейшему использованию.
Кроме того, источниками могут быть готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые фотоснимки и многие другие.
2. Подсистема хранения и выборки данных. Организует пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования.
Подсистема хранения и выборки полностью соответствует нашим представлениям о функциях компьютера, как хранителя информации.
В ГИС подсистема хранения и выборки позволяет делать запросы, возвращающие только нужную, контекстно-связанную информацию, для формулирования запросов.
Эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты).
3. Подсистема манипуляции данными и анализа. Выполнят различные задачи на основе данных, группирует и разделяет их.
Подсистема анализа является «сердцем» ГИС. Анализ данных чаще всего является преимуществом человека – пользователя. Подсистема анализа позволяет значительно упростить и облегчить анализ пространственно-связанных данных, практически исключить ручной труд и в значительной мере упростить расчеты, выполняемые пользователем.
4. Подсистема вывода. Отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме.
Подсистема вывода позволяет компоновать результирующие данные в любой удобной для пользователя форме.
Например, выходных данных - печать адресов на конвертах по результатам поиска в базе данных потенциальных клиентов с целью распространения рекламы.
Существует множество видов представления информативных данных (Рисунок 3).
ГИС относятся к пространственным, делясь на:
- тематические (например социально – экономические) и земельные (кадастровые, лесные, инвентаризационные и др.);
- существует разделение по территориальному охвату (общенациональные и региональные ГИС);
- по целям (многоцелевые, специализированные, в том числе информационно – справочные, инвентаризационные для нужд планирования, управления);
- по тематической ориентации (общегеографические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, туризма, рекреации и др.).
Рисунок 3 – Представление информативных данных
Классифицируется:
¾ по пространственному охвату (глобальные или планетарные ГИС, национальные, региональные, локальные);
¾ по предметной области (земельные, городские, природно-охранные);
¾ по проблемной ориентации (инженерные; имущественные (ГИС для учета недвижимости), предназначенные для обработки кадастровых данных; инвентаризация объектов и ресурса, анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятие решений).
¾ по объектам моделирования (процессы, нематериальные объекты или идеи).
ГИС могут делиться на земельные и неземельные, или прочие информационные системы.
Земельных информационных систем (ЗИС) основаны на владении, управлении и анализе земельных участков, в основном, в интересах людей и, прежде всего с точки зрения землевладения, например, задачи решаемые ЗИС, могут включать отчуждение земли для заповедников, наблюдение за живой природой, прогноз землетрясений и оползней, устранение последствий наводнений, оценка химического загрязнения, управление лесами и зонами обитания диких животных, научные исследования.
Неземельные, или прочие информационные системы, примером таких систем являются демографические ИС, основной целью которых являются население, жилищное строительство и экономическая активность, также анализ рынка, социальные, экономические, транспортные и политические виды деятельности.
Одна из основных функций ГИС – создание и использование компьютерных и электронных карт, атласов и других картографических произведений.
Функции ГИС в свою очередь вытекают из четырех типов решаемых ею задач:
1. Сбор.
2. Обработка.
3. Моделирование и анализ.
4. Использование их в процессах принятия решений.
Иногда термин «ГИС» употребляют для обозначения программных средств, продуктов или пакетов, обеспечивающих функционирование ГИС как системы (например, ГИС Arc/Info, ГИС MapInfo, ГИС Surfer и др.).
ГИС:
- обеспечивает взаимосвязь между любыми количественными и качественными характеристиками географических объектов и явлений, представленных в базе данных в виде точек, линий, площадей и равномерных сеток;
- содержит алгоритмы анализа пространственно координированных данных;
- интегрирует пространственные и любые иные типы информации;
- предлагает единую концептуальную, методическую и технологическую основу для организации географически координированных данных;
- позволяет рассматривать данные, основанные на признаках географического взаиморасположения объектов (близости/удаленности) в реальном окружающем нас мире;
- предлагает новые, легко воспринимаемые, способы манипулирования и отображения данных (посредством картографических образов).
Подразделы ГИС:
- географическая информационная система (Geographical Information System – GIS);
- пространственная информационная система (Spatial Information System – SIS);
- земельная информационная система (Land Information System – LIS);
- экологическая информационная система (Environment Information System – EIS);
- автоматизированная картографическая система (Automated Mapping/Facilities Management – AM/FM);
- геоинформатика (Geographic Information Science – GIS);
- анализ географической информации (Geographic Information ANALYSIS – GIA).
Научные дисциплины связанные с ГИС это – геодезия, география, дистанционное зондирование земли, топография, картография, фотограмметрия, математика, статистика, теория управления, информатика.
Основные области приложения ГИС это – экология и природопользование, земельный кадастр и землеустройство, управление городским хозяйством, региональное планирование, демография и исследование трудовых ресурсов, управление дорожным движением, оперативное управление и планирование в чрезвычайных ситуациях, социология и политология.
Специалисты работающие в области ГИС и геоинформационных технологий занимаются – накоплением первичных данных, проектированием баз данных, проектированием ГИС, планированием, управлением и администрированием геоинформационных проектов, разработкой и поддержкой гис, маркетингом и распространением ГИС-продукции и геоданных, профессиональным геоинформационным образованием и обучением ГИС-технологиям.
1.2.4 История развития геоинформационных систем
В истории развития геоинформационных систем можно выделить четыре периода (Таблица 1).
1. Пионерный период – поздние 1950е – ранние 1970е гг. – исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.
2. Период государственных инициатив – ранние 1970е –ранние 1980е гг. – развитие крупных геоинформационных проектов поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп.
3. 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, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывающие путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных.
4. Пользовательский период поздние – 1980е –настоящее время. – повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий, доступность и «открытость» программных средств позволяющие использовать и модифицировать программы, появление пользовательских «клубов», телеконференций, возросшая потребность в геоданных начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.
1.3 Вопросы к лекции
1.3.1 Определение геоинформатики?
1.3.2 С какими науками связана геоинформатика?
1.3.3 Определение ГИС?
1.3.4 Что относится к географически координированным данным?
1.3.5 Какие подсистемы ГИС выделяют?
1.3.6 Классификация ГИС?
1.3.7 Какие основные периоды развития в ГИС выделяют?
