Геоинформационные системы и "облачные" технологии

Классификация ГИС, функциональность и cредства поддержки

Многообразие существующих ГИС-решений укладывается в различные виды классификаций ГИС [Цветков В.Я., 1998; ДеМерс Майкл Н., 1999; Сырецкий Г.А., 2007].

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования — городские или муниципальные (Urban GIS — UGIS), природоохранные (Environmental GIS), производственные (Manufacturing Facilities GIS — MFGIS) и т.д. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней научными и прикладными задачами — инвентаризация ресурсов (кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Интегрированные ГИС (Integrated GIS — IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Масштабно-независимые ГИС (Multiscale GIS — MSGIS) основаны на множественных представлениях пространственных объектов (Multiscale Representation), обеспечивая графическое или картографическое вопроизведение данных на любом уровне масштабирования на основе того набора данных, который обеспечивает наибольшее пространственное разрешение. Пространственно-временные ГИС (Spatio-temporal GIS — STGIS) оперируют пространственно-временными данными.

Реализация геоинформационных проектов (GIS Project), включает обычные этапы жизненного цикла:

• предпроектных исследований (Feasibility Study), в том числе изучение требований пользователя (User Requirements) и функциональных возможностей (Functional Facilities) используемых программных средств ГИС;
• технико-экономическое обоснование разработки ГИС;
• оценку соотношения "затраты/прибыль" (Costs/Benefits);
• системное проектирование ГИС (GIS Designing), включая стадию пилотного проекта (GIS Pilot Project);
• разработку (GIS Development);
• тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (Test Area);
• прототипирование или создание опытного образца (Prototyping);
• внедрение (GIS Implementation);
• введение в эксплуатацию и использование (Setting into Operation).

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС являются предметом изучения быстро развивающейся ветви информатики — геоинформатики.

В истории развития ГИС геоинформатика выделяет четыре основных периода:

• 60-е — середина 70-х годов: исследование принципиальных возможностей использовать большие ЭВМ того времени для накопления, обработки, анализа и построения банков и баз географических данных; теоретические работы в области обработки таких данных, накопление опыта;
• середина 70-х — середина 80-х годов: появление автоматизированных систем управления (АСУ), в том числе и первых специализированных ГИС, разработка крупных государственных ГИС-проектов в области контроля атомной энергии и гидроэнергетики, обороны и т.д;
• середина 80-х — конец 90-х годов: становление понятия ГИС, появление рынка программных средств, реализующих различные ГИС на базе персональных компьютеров, мощных серверов и сетевых коммуникациях; расширение области применения ГИС на основе интегрированных БД и мощных СУБД, включающих инструменты для обработки и требуемой визуализации географических и описательных данных; появление прикладных ГИС для непрофессиональных пользователей, а также специализированных распределенных ГИС, поддерживающих государственные и корпоративные базы таких данных;
• начало ХХ века — сегодняшний момент: возросшая потребность в географических данных в связи с глобализацией многих сфер экономики, сильная конкуренция на рынке ГИС, появление многочисленных групп пользователей, заинтересованных в конкретных прикладных программных ГИС-средствах, использование принципов искусственного интеллекта и интеллектуальных сетей при проектировании ГИС, применение технологии программных мобильных агентов для сбора специализированной информации в экспертных ГИС, формирование мировой ГИС-инфраструктуры.

Указанные этапы развития предъявляли всё новые требования к функциональности различных ГИС, однако эти требования сложились в общих чертах на третьем этапе в 80-х 90-х годах. Отметим сразу, что ГИС — это не просто географическая карта, перенесенная на компьютер. Геоинформационные системы хранят информацию в виде наборов тематических электронных слоев, которые можно объединять по любому требуемому признаку. Поэтому технологии ГИС интегрируют в себе операции для работы со слоями, базами данных, средствами анализа и визуализации слоев, содержащих требуемые данные в нужных сочетаниях.

Рис. 5.5. Тематические слои ГИС

Рис. 5.6. Трансформация слоев и конвертирование данных из одного формата в другой

Например, строительство крупного супермаркета в мегаполисе требует совместного анализа данных, указанных на рис. 5.5. Трансформация (объединение, расщепление, масштабирование и т.д.) слоев и конвертирование данных из одного формата в другой производится методами математической картографии и управления данными в базе данных ГИС (рис. 5.6).

Функциональные возможности ГИС

В ГИС в целом выполняется пять основных функциональных процедур с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию [Андрианов В., 1999].

Ввод данных. Географические данные (числа, текст, изображения) для использования в ГИС вводятся в векторном или растровом виде, если такие данные уже существуют в подходящем цифровом формате, либо предварительно оцифровываются с помощью диджитайзера или сканера. Каждый элемент или объект изображения имеет координатную привязку. Тем самым, любые свойства и характеристики реальных объектов (моделей) или их элементов "привязаны" к местоположению объекта в координатной сетке. При этом всегда следует иметь в виду, что технологии оцифровки или занесения данных в конкретный тематический слой, а также наложение и сведение слоев могут сопровождаться значительными ошибками, которые в дальнейшем приведут к заметным искажениям картографических данных и визуализации результата (рис. 5.7).

Средства манипулирования представляют собой различные способы выделения, группировку и преобразования данных, например, приведение всей геоинформации к единому масштабу и проекции на определенный тематический слой для удобства совместной обработки. Для хранения, структурирования и управления данными в ГИС чаще всего используются реляционные базы данных с элементами OLAP-технологий (On Line Analytical Processing) и технологий создания отчетов (Report Creation).

Запрос и анализ можно выполнять на разных уровнях сложности — от самых простых вопросов: где находится объект и каковы его описательные свойства — до поисков и компиляции данных по сложным шаблонам и сценариям вида "А что если...". В современных ГИС имеются развитые средства анализа взаимной близости и наложения объектов, принадлежащим разным тематическим слоям.

Первый инструмент связан с выделением буферных зон вокруг заданных объектов по комбинации различных параметров (например: "Выделить населенные пункты, расположенные не далее двух километров от конкретного аэропорта" или "Рассчитать зоны поражения при аварии на АЭС и выделить населенные пункты, попадающие в эти зоны"). Второй позволяет рассчитывать пересечение, объединение, исключение и другие сочетания двух и более распределенных объектов (оверлейные операции) при сведении слоёв (рис. 5.6).

Рис. 5.7. Влияние ошибок оцифровывания и сведения слоев

Визуализация. Результаты различных операций можно просто отображать на экране или же создавать (рисовать) новые объекты с любыми наборами атрибутивных характеристик. Развитые средства и способы визуализации позволяют ГИС легко управлять отображением данных. Традиционным результатом обработки, анализа и отображения пространственных географических данных является карта, которая дополняется отчетными документами, рельефными цветными изображениями реальных и смоделированных объектов, фотографиями, таблицами, диаграммами, видео клипами развития ситуации и другими мультимедийными средствами.

Кроме указанных базовых операций, современные ГИС имеют достаточно много специальных групп функций, реализующих пользовательские задачи: прокладку оптимального маршрута, поиск кратчайших расстояний, расчетные задачи пространственной статистики, создание моделей геологических структур, морских и воздушных течений и т. д.

Модели географических данных. Для графического представления географических данных, описывающих реальные объекты и их модели в ГИС, используются электронные карты и тематические описания. Параметры местоположения объектов и их отношений есть пространственные (метрические) данные, параметры временных и тематических свойств — атрибутивная (описательная) информация.

В основе моделей данных в ГИС лежит классификатор объектов карты. Он определяет состав и содержание метрических, семантических, тематических, динамических свойств объекта и их изобразительных средств. Система условных обозначений формируется с использованием палитры красок, текстуры линий и заливок, шаблонов знаков и шрифтов. В современных ГИС реализована технология послойного графического представления информации, она соответствует представлению координатных моделей в топологической форме (представление объектов и их связей в виде графа). Атрибутивная информация отображается на слое электронной карты числами, символами и их совокупностями — надписями. Связь координатных и атрибутивных данных устанавливается в БД через соответствующие идентификаторы (по умолчанию или через пользовательский интерфейс). Для представления географических объектов применяются растровые и векторные модели.

Растровая модель — отображение участков поверхности суши и океанов в виде дискретного набора элементов, составляющих нужную картину. Такие элементы называются пикселами (Picture Element), они образуют отображение тематического слоя электронной карты на экране монитора. Каждый пиксел занимает некоторую малую площадь в виде прямоугольника, имеет координаты центра (X,Y) в плоскости слоя карты, связанные с координатами точек географического объекта, и описание его свойств (яркость, цвет и плотность тона), соответствующих аналогичным свойствам объекта.

Растровые цифровые изображения могут быть получены непосредственно при цифровом фотографировании земной поверхности со спутников, либо при обработке аэрокосмических фотографий методами цифрового сканирования с использованием диджитайзеров. Такие изображения хороши для зрительного восприятия и удобны для многоаспектной обработки. Однако они занимают много места в памяти вычислительных устройств и плохо масштабируются — при многократном и многоразовом изменении масштаба, сжатии и дешифровке четкость изображений сильно ухудшается. Поэтому в тех случаях, где заранее оговаривается необходимость масштабирования изображений без потери четкости, применяется технология векторной графики.

Векторная модель — это структурно заданное графическое изображение пространственного объекта. Положение точек объекта задается координатами конца вектора (x,y,z) и описанием свойств этой точки. Отображение объекта задается совокупностью векторов. Так как конец вектора (точка) не имеет площади, то при многократном увеличении или уменьшении изображения объекта (масштабировании) искажения не происходит (рис. 5.8). Векторная графика оперирует точечными, линейными (дуги и контуры) и площадными (полигонными) моделями пространственных объектов.

Рис. 5.8. Растровая и векторная модели графического изображения пространственного объекта

Допустимы следующие формы векторной модели данных:

• цельнополигональная структура (топологическая структура типа "спагетти");
• линейно-узловая (графовая структура);
• реляционная (структура отношений);
• нерегулярная триангуляционная сеть.

Формирование топологии заключается в определении положения точек и узлов в выбранной системе координат на плоскости или в пространстве (для рельефных изображений) и цифровое кодирование взаимосвязей между точечными, линейными и площадными географическими объектами. В настоящее время применяются объектно-ориентированные модели баз географических данных (например, ArcGIS компании ESRI), формирующие классы объектов, классы отношений, геометрические сети и послойную топологию.