Структура и классификация ГИС

Базовый составляющий геоинформатики являются геоинформационные систе­мы. Геоинформационная система (ГИС) - специализированная информационная система, предназначенная для работы на интегрированной основе с геопространс­твенными и различными по содержанию семантическими данными.

Поскольку ГИС является сложной интегрированной системой, она подчиняет­ся всем принципам системного анализа. Системный анализ - это совокупность методов и средств исследования сложных, многоуровневых и многокомпонентных систем, объектов, процессов, опирающихся на комплексный подход, учет взаимо­связей и взаимодействий между элементами системы. В системном анализе под системой понимается множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. Элементами системы являются ее части, представление о которых нецелесообразно подвергать дальнейшему членению. Сложная система - это система, характеризуемая боль­шим числом элементов и большим числом взаимосвязей.

Интеграцией называют восстановление и повышение качественного уровня взаимосвязей между элементами системы, а также процесс создания из несколь­ких разнородных систем единой системы с целью исключения функциональной и структурной избыточности и повышения общей эффективности функциони­рования.

Назначением ГИС является ввод, хранение, обработка и вывод геопростран­ственной информации по запросам пользователей.

Таким образом, ГИС интегрируется, с одной стороны, с системами сбора ин­формации (дистанционное зондирование, геодезическая съемка, мониторинг окружающей среды), с другой - с системами хранения информации (информа- ционно-поисковые системы, базы данных, базы знаний, экспертные системы), с третьей стороны, с системами обработки информации (обработка изображений, моделирование, генерализация), с четвертой стороны, с системами отображения информации (компьютерная графика, электронные карты, создание трехмерных видеомоделей и сцен).

Поскольку геопространственные данные менее подвержены изменениям, чем семантические данные, они часто являются основой для интеграции данных в дру­гих автоматизированных системах (автоматизированного управления, проектиро­вания и научных исследований).

При интеграции ГИС с другими системами создаются новые технологии. Техно­логия включает в себя методы, приемы,режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инс­трументами, используемыми материалами. Геоинформационная технология - это совокупность приемов, способов и методов применения аппаратно-программных средств обработки и передачи информации на основе реализации функциональных возможностей ГИС.

Рассмотрим теперь различные методы классификации ГИС (рис. 1). По про­блемной ориентации можно выделить следующие виды ГИС.

Универсальные географические (комплексные или многоцелевые) для реше­ния общих проблем. Обычно это интегрированные ГИС, которые совмещают си­стемы цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) с функциональными возможностями ГИС по моделированию и многофакторному анализу данных в единой интегрированной среде. Такие ГИС используются в сферах управления федерального и регионального управления и планирования.

Отраслевые (тематические) - по проблеме одной отрасли. Основные проблемы, решаемые современными ГИС, сводятся к проблемам оптимального взаимораспо­ложения и определения местонахождения, размещения и распределения объектов и ресурсов, к классификации и районированию территории, выбору оптимального маршрута. Круг проблем, решаемых ГИС, может меняться в зависимости от требо­ваний времени и функциональных возможностей, определяющихся уровнем раз­работки структуры базы данных и ее программно-аппаратной реализацией. 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.

Специализированные. Предметом рассмотрения таких ГИС могут быть: не­дра, природопользование, экология, транспорт, связь, социально-экономические показатели, политология, городское хозяйство.

По целевому назначению ГИС могут быть:

Информационно-справочные. Такие ГИС либо используются в сети Интернет, либо тиражируются на компакт-дисках. Они широко используются для справоч­ных, туристических и образовательных целей.

Инвентаризационные, кадастровые. Такие ГИС создаются для учета и ведения земельного, лесного, водного, экологического, градостроительного и других видов кадастра, а также систем муниципального управления.

ГИС для принятия управленческих решений. Обычно такие ГИС создаются либо на федеральном уровне, либо на уровне различного рода министерств и ведомств и служат для получения оперативных данных в процессе принятия решений.

ГИС для управления процессами и системами. Такие ГИС помогают оператив­но управлять энергоресурсами, планировать работу транспорта, связи и т. д.

Как правило математическую основу ГИС составляют топоданные (топокарты). По территориальному охвату ГИС разбивают на несколько уровней.

1. Глобальные. Масштаб базовых карт, по которым создается ГИС, 1:4000 000 и мельче, система координат - географическая. Цифровые карты хранятся на оптических или компакт-дисках. Примером глобальных ГИС является цифро­вая карта мира.

2. Межгосударственные (субконтинентальные). В этих ГИС по территориально­му признаку объединяются несколько государств. Масштаб базовых карт для них - от 4000 000 до 1:200 000. В основном они имеют информационно-спра­вочное назначение.

3. Федеральные (общенациональные, государственные). Исходным картографи­ческим материалом для этих ГИС могут служить карты масштаба 1:4 000 000 до 1:1 000 000.

4. Региональные и субрегиональные. К этому уровню относят ГИС на основе то­пографических и картографических данных масштабов 1:100 000 и 1:200 000. Система координат - геодезическая (в США, Канаде и Западной Европе - 17ГМ, в РФ - Гаусса-Крюгера).

5. Муниципальные. Создаются для управления городским хозяйством. Напри­мер, для создания муниципальных кадастровых карт. Масштабы картографи­ческих и топографических данных состовляют 1:10 000 и 1: 25 000.

6. Локальные (районные). ГИС этого уровня создаются по геопространственным данным масштабов 1:10 000 и крупнее и служат для управления городским хо­зяйством, создания кадастровых карт и других целей местного значения.

Целями разработки ГИС являются: анализ, моделирование, управление, про­гноз, планирование, инвентаризация земель, мониторинг, геомаркетинг, картогра­фирование, обслуживание пользователей.

Сфера применения ГИС весьма широка. Это и управление территориальными образованиями, и исследование природных ресурсов, и экология, и рациональное землепользование, транспорт и строительство.

Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широ­ком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функцио­нальных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-эконо­мическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль»; системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС; ее тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке, прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа; внедрение ГИС; эксплуатацию и использование.

Особенности различных источников данных создаваемых ГИС позволяют ввести еще один принцип классификации - тип исходных данных, что дает воз­можность выделять системы, ориентированные на использование определенных материалов (карт, аэро- и космических снимков, таблиц, текстов, диаграмм, муль­тимедиа), либо их комплексов в интегрированной ГИС.

Проблемы, стоящие перед проектированием ГИС, реализуются посредством решения комплексов отдельных задач. Задача, определяемая как простейший цикл обработки типизированных данных, может быть отнесена к одной из групп:

1) учетно-инвентаризационных задач,

2) задач управления и принятия решений,

3) задач для моделирования и сложного анализа данных.

Комплексность решения задач в ГИС есть следствие ее эффективности, выте­кающей из ее интегрированности, картографической визуализации и наглядности информации. Несмотря на обилие задач, ГИС оперирует немногими категориями - природными и антропогенными объектами, а также изменяющимися в пространс­тве явлениями. Структура БД в первую очередь должна быть разработана с учетом возможности обеспечения манипулирования этими категориями при работе с ГИС.

В большинстве практически функционирующих ГИС все многообразие задач ГИС сводится к выполнению в основном запросов из БД двух типов: 1) запрос ин­формации «через карту» посредством «картографического интерфейса», с одной стороны, и 2) создание/выдача картографического отчета (т. е. в виде карты) по запросу из БД. При этом оба типа запросов могут иметь дополнительные ограни­чения, основанные на пространственных и непространственных характеристиках с использованием понятий расстояния, включения, пространственных взаимоот­ношений объектов (например, соседства или пересечения).

Выполнение каждой задачи можно рассматривать как с позиции функциональ­ности отдельных подсистем ГИС, так и в аспекте их программно-аппаратного обес­печения.

Функции ГИС закладываются в процессе создания ГИС. Акцент на функции оп­ределяет конфигурацию ГИС. Различные аспекты применения ГИС могут быть све­дены к следующим группам функций ГИС:

· сбор, кодирование и ввод информации - обеспечение формирования циф­рового представления пространственных объектов и явлений;

· редактирование, обновление, эффективное хранение данных, реорганиза­ция в разные формы, контроль правильности и качества данных, поддержа­ние системы на актуальном уровне;

· получение информации - в первичном и обобщенном виде (в том числе ге­нерализированном, суммарном, усредненном) и в виде результатов анализа, моделирования и интегрирования разнородной информации;

· сложные запросы, в том числе осуществляемые в ходе сложного анализа;

· вывод результатов в виде документов - таблиц, карт, диаграмм.

При всем многообразии операций, целей, областей моделирования, проблем­ной ориентации тех или иных атрибутов, логически организованных в них, в лю­бой ГИС выделяются блоки (подсистемы), выполняющие определенные группы функций.

Если рассматривать ГИС как системотехническое устройство, то она включает в себя: аппаратные средства, программное обеспечение, данные и ре­сурсы, технологии и информационный менеджмент.

Аппаратные средства. Это компьютер или сеть компьютеров, входящих в ГИС, а также состав специализированных информационно-технических средств, обес­печивающих функционирование ГИС.

Программное обеспечение ГИС содержит системные и прикладные фун­кции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации гео­пространственной информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования геоданными; сис­тема управления базой данных (БВМ8 или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графи­ческий пользовательский интерфейс (С1Л или ГИП) для легкого доступа к инст­рументам.

Данные, один из наиболее важных компонентов ГИС. Данные о пространс­твенном положении (геопространственные 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 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.

Геоинформационный менеджмент. Широкое применение ГИС-технологии невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разра­батывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддержи­вающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы. Успешность и эф­фективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соот­ветствии со спецификой задач и работы каждой организации.