История развития ГИС

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.

Тема 1. Понятие о географических информационных системах, связь с другими науками. История развития ГИС.

Термин географическая информационная система является дословным переводом с английского "Geographic(al) information system".

Что же это такое - Географические Информационные Системы?

Начнем с простейших понятий:

· СИСТЕМА - это группа взаимосвязанных элементов и процессов.

· ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА - это система, выполняющая процедуры над данными для получения информации, полезной для принятия решений.

Следовательно: ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА - это информационная система, использующая географически координированные данные. К ГЕОГРАФИЧЕСКИ КООРДИНИРОВАННЫМ ДАННЫМ (Geographically referenced data) относятся:

· Географические широта и долгота;

· Прямоугольные координаты X и Y;

· Почтовые адреса;

· Почтовые индексы и иные коды, идентифицирующие предварительно разграниченные участки территории;

· Местоположение, зафиксированное на карте.

А теперь постараемся дать строгое определение геоинформационной системы:

Различные определения ГИС отражают историю ее эволюции как синтеза методов и средств, первоначально развивавшихся в системах автоматизированного проектирования, автоматизированного картографирования, цифровой обработки данных дистанционного зондирования и управления базами данных

Одно из первых определений ГИС в русской литературе гласит: " ГИС - это аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением природной средой и территориальной организацией общества " [Гармиз и др., 1989, с. 10].

Термин ГИС часто употребляется и в других значениях, он обозначает:

1. программное средство,

2. программный продукт,

3. ГИС-пакет, обеспечивающий функционирование ГИС как системы (ГИС Arc View, ГИС IDRISI).

Географическая информационная система (ГИС) - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, анализ и отображение пространственных данных и связанных с ними непространственных, а также получение на их основе информации и знаний о географическом пространстве. Преимущество ГИС в том, что она позволяет рассматривать объекты в их географическом окружении и исследовать взаимосвязи между объектами, а изучение взаимосвязей и взаимозависимостей - основа географического моделирования. Возможности ГИС для быстрого и точного совмещения различных срезов информации становятся действенным инструментом ее анализа. Для географии ГИС-технологии - это только набор средств, по-разному применяемых специалистами для решения задач, но более важно понимание того, какимдолжен быть этот набор и как с его помощью повысить эффективность анализа и познания действительности. Ключевыми словами в определении ГИС являются - анализ пространственных данных.

И так, что безусловно отличает ГИС от иных информационных систем?

Во-первых, 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;

Во-вторых, содержит алгоритмы анализа пространственно координированных данных; и поэтому она:- ПРОСТРАНСТВЕННО ОРГАНИЗОВАННАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННО "МЫСЛЯЩАЯ".

ПОЧЕМУ о ГИС так много говорят и считают их столь важными?

Ответ заключается в следующем, ГИС:

· интегрирует пространственную 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, более близкие к аналоговым и потому легко воспринимаемые, способы манипулирования и отображения данных (посредством картографических образов).

Таким образом, современные ГИС расширили использование карт за счет хранения графических данных в виде отдельных тематических слоев, а качественных и количественных характеристик составляющих их объектов в виде баз данных. Такая организация данных при наличии гибких механизмов управления ими, обеспечивает принципиально новые аналитические возможности.

Связь ГИС с другими науками (рис.1)

Благодаря КАКИМ научным дисциплинам стало возможным появление и развитие ГИС?

Рисунок 1- Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями.

Основными же областями приложения ГИС являются

(рисунок – график % соотношение):

· 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.

История развития ГИС началась более 30 лет назад. В истории развития ГИС можно выделить четыре периода:

· Пионерский (поздние 1950-е - ранние 1970-е гг.);

· Период государственных инициатив период государственных инициатив ранние 1970-е - ранние 1980-е гг.;

· Период коммерческого развития ранние 1980-е - настоящее время;

· Пользовательский период поздние 1980-е - настоящее время.

Пионерский период (поздние 1950-е - ранние 1970-е гг.) характеризуется исследованием принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработкой эмпирического опыта, созданием первых крупных проектов, закладывание теоретических знаний.

Предпосылки к развитию ГИС стали развитие компьютерных технологий, а именно: появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах, цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств, создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров, формальных методов пространственного анализа, программных средств управления базами данных.

Большое влияние в этот период оказывают теоретические работы в области георафии и пространственных взаимосвязей, а также становление количественных методов в географии в США, Канаде, Англии, Швеции -работы У. Гаррисона (William Garrison), Т. Хагерстранда (Torsten Hagerstrand), Г. Маккарти (Harold McCarty), Я. Макхарга (Ian McHarg).

Первый безусловный крупный успех становления геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады (Canada Geographic Information System, CGIS). Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается и развивается по сей день.

Создателем ГИС Канады считается Роджер Томлинсон (Roger Tomlinson), под руководством которого были разработаны и реализованы многие концептуальные и технологические решения. Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета (Canada Land Inventory), и в получении статистических данных о земле, которые бы использовались при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно сельскохозяйственного назначения.

Для этих целей требовалось создать классификацию использования земель, используя данные по сельскохозяйственной, рекреационной, экологической, лесохозяйственной пригодности земель, отразить сложившуюся структуру использования земель, включая землепользователей и землевладельцев. Для выполнения этих задач проекта необходимо было обеспечить эффективный ввод исходных картографических и тематических данных. Для этого разработчикам ГИС Канады потребовалось создать новую технологию, ранее нигде не применявшуюся, позволяющую оперироватьотдельными слоями и делать картометрические измерения.

Для ввода крупноформатных земельных планов было даже спроектировано и создано специальное сканирующее устройство. В результате создатели ГИС Канады предложили механизмы создания ГИС и оптимальной работы с большим массивом данных, а именно:

· Использование сканирования для автоматизации процесса ввода геоданных

· Расчленение картографической информации на тематические слои и разработка концептуального решения о "таблицах атрибутивных данных", что позволило разделить файлы плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и файлы, содержащие тематическую (содержательную) информацию об этих объектах.

· Функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей.

В ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ МОЖНО ВЫДЕЛИТЬ ЧЕТЫРЕ ПЕРИОДА (слайд) сделать ссылки для перехода

Пионерный период поздние 1950е - ранние 1970е гг.	Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы
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
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

Так же большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа (Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов Говард Фишер (Howard Fisher) с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые сделали существенные шаги в алгоритмическом совершенствовании ГИС. В настоящее время эти исследования продолжаются.

Программное обеспечение Гарвардской лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин (Dana Tomlin) заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP. Одним из производных программных продуктов, свободно распространяемых в сети Internet, является OSU-MAP, созданный в Университете штата Огайо выходцами из Гарвардской лаборатории.

Благодаря работам Гарвардской лаборатории в области компьютерного картографирования была окончательно закреплена ведущая роль, которую играют картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах. Наиболее известными программными продуктами Гарвардской лаборатории являются:

· SYMAP (система многоцелевого картографирования);

· CALFORM (программа вывода картографического изображения на плоттер);

· SYMVU (просмотр перспективных (трехмерных) изображений);

· ODYSSEY (предшественник ARC/INFO).

Период государственных инициатив ранние 1970е - ранние 1980е гг. который характеризуется развитием крупных геоинформационных проектов поддерживаемых государством, формированием государственных институтов в области ГИС, снижением роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп.

В конце 60х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования ГИС - технологий для обработки и представления данных Национальных Переписей Населения (US Census Data).

Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой стала необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствовавших в анкетах переписи, в географические координаты таким образом, чтобы результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи.

Для этих целей Национальное Бюро Переписей США (U.S. Census Bureau) разработало комплексный подход к "географии переписей" и 1970 год - год очередной Национальной Переписи США, проводимой раз в десять лет - впервые стал годом "географически локализованной переписи"

Был разработан специальный формат представления картографических данных DIME (Dual Independent Map Encoding), для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты.

Алгоритмы обработки и представления картографических данных были заимствованы у разработчиков ГИС Канады и Гарвардской лаборатории и оформлены в виде программыPOLYVRT, осуществляющей конвертирование адресов проживания в соответствующие координаты, описывающие графические сегменты улиц.

Таким образом, в этой разработке впервые был широко использовантопологический подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами

Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали также 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.

Одновременно на основе этой информации была создана серия атласов крупных городов, содержащих результаты Переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и т.д.

Пользовательский период (поздние 1980е - настоящее время). Следует отметить в этом периоде, повышенную конкуренцию среди коммерческих производителей геоинформационных технологий и услуг, что дало преимущества пользователям ГИС, доступность и "открытость" программных средств и позволяет использовать даже модифицировать программы. Появляются пользовательские "клубы", телеконференции, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп. Возростает потребность в геоданных и как следствие начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

В этот период пример нового отношения к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами (Army Corps of Engineers) для задач планирования природопользования и землеустройства. Они открыли GRASS для бесплатного пользования (public-domain), включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрирую GRASS с другими программными продуктами.

В настоящее время GRASS Version 4.1, созданная в 1993 году, включая исходные тексты программ, системную и справочную документацию, учебное пособие для пользователей, ряд наборов данных в качестве примеров, открыто распространяется в сетях Internet.

Примеру Army Corps of Engineers последовал ESRI Inc., открывший в 1994 году для неограниченного бесплатного пользования свой программный продукт ArcView 1 for Windows, который также доступен в сетях Internet.

Насыщение рынка программных средств для ГИС, в особенности, предназначенных для персональных компьютеров (Desktop GIS) резко увеличило область применения ГИС-технологий. Это потребовало существенных наборов цифровых геоданных, а также необходимости формирования системы профессиональной подготовки и обучения специалистов по ГИС.

В наиболее развитых в геоинформационном отношении странах эти проблемы решаются в настоящее время путем формирования государственных национальных и междуниродных инициатив по разработке и созданию Инфраструктур Геопространственных Данных, включающих вопросы ГИС технологии, телекоммуникации, стандартизации данных и профессиональной подготовки.

Так, например, 19 октября l990 года в США, был опубликован Циркуляр А-16, направленный на "максимальное развитие национальных цифровых ресурсов пространственной информации, с привлечением к этой деятельности федеральных, региональных и местных органов управления, а также частного сектора. Эти национальные информационные ресурсы, взаимосвязанные с помощью единых критериев и стандартов, обеспечат распространение и эффективный обмен пространственными данными между производителями и пользователями". Для этих целей был создан Федеральный Комитет Пространственных Данных.

В развитие Циркуляра А-16, 11 Апреля 1994 Президент Клинтон издал Правительственное распоряжение под названием "Координация в области получения и доступа к данным: Национальная Инфраструктура Пространственных данных".

К сожалению, Украина и бывший СССР не участвовали в мировом процессе развития геоинформационных технологий вплоть до середины 1980-х годов, поэтому в Украине не в наличии геоинформационных систем сельскохозяйственного назначения, а так же не хватает специалистов в этом вопросе. И как следствие процесс картографирования не автотатизирован.