Зарегистрироваться

Геоинформатика

Категории Геоинформатика | Под редакцией сообщества: Науки о Земле

Геоинформатика (GIS science, geographic information science, geoinformatics) — наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем (ГИС), по разработке геоинформационных технологий и по приложению ГИС для практических или научных целей. Входит составной частью в геоматику (по одной из точек зрения) или предметно, методически и технологически пересекается с ней.

Предмет геоинформатики – познание природных и социально-экономических, экологических геосистем посредством цифровых информационных моделей, создаваемых для адекватного представления реального мира, а также технология их создания и использования. Основной метод геоинформатикицифровое моделирование для получения новых знаний о структуре, взаимных связях, динамике и эволюции объектов и явлений. Относится к сфере наук о Земле.

Геоинформатика как наука и технология изучает и разрабатывает принципы, методы и технологии сбора, накопления, передачи, обработки и представления пространственно определенных (пространственно-координированных) данных для получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях в геосистемах.

Особенность геоинформатики как науки – возрастающее взаимодействие с другими науками о Земле (геологическими, почвенными, биологическими и др.), комплексирование методов исследования, широкое использование математических методов и информационных технологий. Она имеет дело с тематически разнообразной географической (координированной) и использует законы информатики системы знаний, относящихся к производству, переработке, хранению и распространению всех видов информации.

К основным задачам геоинформатики относятся:

  • Создание баз пространственных данных (геоданных) и управление ими
  • Разработка и применение методов пространственного анализа и моделирования
  • Разработка программного обеспечения для создания и функционирования ГИС.

 

 

1. Базовые понятия геоинформатики

2. Общее представление о ГИС

3. Основные этапы развития геоинформатики и ГИС

4. Представление и организация географической информации в базах данных

5. ГИС-технологии и функциональные возможности ГИС

6. Применение ГИС-технологий для  пространственного анализ и моделирования

7. Рекомендуемая литература <перечень наименований изданий, информация о которых содержится в файлах категории «Литература»

Базовые понятия геоинформатики

Геоинформатика – молодая и развивающаяся наука, в связи с чем проблемы терминологии для нее все еще актуальны. Фундаментальными понятиями геоинформатики являются пространственные данные, пространственный объект, база пространственных данных и географическая информационная система.

В русскоязычной терминологии геоинформатики пространственным данным соответствуют два разных понятия:

  1. пространственные данные в широком смысле слова, включающие описания объектов реальности, цифровые изображения, цифровые карты, каталоги координат пунктов опорной геодезической сети и т. п.;
  2. пространственные данные, составляющие информационное обеспечение ГИС — это цифровые данные об объектах реальности (местности, территории и т. п.).

В качестве синонимов термина «пространственные данные» в обоих значениях употребляются термины «географические данные», «геопространственные данные», «пространственно-координировсанные данные».  

Термин «пространственный объект» также используется двояко: это и объект реальности, и его цифровое представление, или иначе, цифровая модель объекта местности. Это может быть материальный или абстрактный объект реального или виртуального мира и одновременно его цифровая модель, отражающая информацию о его местоположении и свойствах. В англоязычной терминологии для описания пространственного объекта используют разные термины: «spatial object» – объект реальности и «spatial feature» – цифровая модель объекта реальности. В геоинформатике понятие пространственного объекта как объекта реального мира подразумевает и простые объекты (здания, водотоки и т.п.), и их объединения (населенные пункты, речные системы), и природные или социально-экономические явления, процессы, происходящие на территории (осадки, атмосферное давление, лесной пожар, наводнение, миграция населения и т.п.). Все это может быть объектом анализа и моделирования.

Пространственные данные о пространственных объектах традиционно подразделяют на две взаимосвязанные составляющие — позиционные и непозиционные данные: позиционные описывают местоположение объектов и/или их пространственную форму в координатах двух- и трехмерного пространства; к непозиционным относятся качественные и количественные характеристики объектов (атрибуты), соответствующие тематической форме данных или кодированному представлению взаимосвязей объектов (топологии); они позволяют маркировать и опознавать тип объекта.

Совокупность данных о пространственных объектах, образует множество пространственных данных, организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными, и составляет содержание базы пространственных данных (для краткости часто называемую базой геоданных).

Наборы пространственных данных сопровождаются метаданными – данными о пространственных данных; они содержат сведения о составе, происхождении, местонахождении, качестве (включая точность, достоверность), системах координат и масштабах, форматах представления, условиях доступа, авторских правах на данные и т.п.

Основополагающая проблема создания баз пространственных данных (БД) – представление в них реального мира. Решению этой проблемы способствует интеграция трех областей науки – картографии, геоинформатики, и аэрокосмического зондирования, использующих свой метод представления и изучения геосистем на основе пространственно определенной информации: картография — на основе создания образно-знаковой модели действительности, геоинформатика — на основе построения цифровой информационной модели, а аэрокосмические исследования используют дистанционно полученные геоизображения — «снимковые» модели.

Термин географическая информационная система является дословным переводом с английского "Geographic(al) information system". Стандартно ГИС определяются как информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных.

Термин ГИС употребляется и в другом значении — он обозначает программное средство ГИС, программный продукт, ГИС-пакет, обеспечивающий функционирование ГИС как системы (GIS ArcView, ArcGIS, GIS Idrisi).

Общее представление о ГИС

Различные определения ГИС, подборка которых дана в [Берлянт, 1996; Геоинформатика. Толковый.., 1999; Геоинформатика, 2005], отражают историю эволюции ГИС как синтеза методов и средств, первоначально развивавшихся в системах автоматизированного проектирования, автоматизированного картографирования, цифровой обработки данных дистанционного зондирования и управления базами данных.

В одном из первых определений ГИС в русской литературе (1993) ГИС трактуется как «аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, …».

Архитектура типовой ГИС соответствует стандартному определению ее как системы, включающей четыре подсистемы: подсистема ввода (цифрования) исходной информации; подсистема хранения – это база данных ГИС, независимая от прикладных программ и доступная множеству пользователей; подсистема обработки – программно-аппаратный комплекс, предназначенный для решения прикладных задач, в первую очередь анализа и моделирования; подсистема вывода – предназначена для отображения результатов решения задач в виде текстов, таблиц и для графической визуализации результатов (карт, преобразованных снимков) в электронной (на экране) или печатной форме.

Географические информационные системы подразделяются на типы, определяемые их задачами и характером используемой информации:

  • по проблемной ориентации – определяется научными или прикладными задачами;
  • по предметной (объектной) специализации – определяется ведомственными или отраслевыми интересами (землеустройство, природные катастрофы, охрана природы);
  • по территориальному охвату (глобальные, имеющие дело с информацией планетарного характера; субконтинентальные – государственного или национального характера; океанов; региональные; локальные, включающие городские или муниципальные ГИС, учебные ГИС).

Территориальному уровню исследований должны соответствовать показатели масштабов и точности.

Общей характеристикой ГИС служит их проблемная ориентация, поскольку формулировка проблемы обычно включает предметные и территориальные аспекты. Процедуры наполнения БД информацией и функционирование проблемно-ориентированной ГИС опираются на использование заранее определенных технических и программных средств (в первую очередь ГИС-пакетов).

Основные этапы развития геоинформатики и ГИС

Геоинформатика появилась как инициативное направление в области наук о Земле, вслед за растущим признанием, что Земля функционирует как сложная система и что существующих теоретических и практических методов ее исследования недостаточно для решения многих трудных проблем, связанных с этой системой. Их успешное решение требовало комплексного и инновационного подхода к анализу, моделированию, формированию и обработке обширных и разнообразных наборов данных. Главными предпосылками реализации такого подхода и формирования науки геоинформатики стали с одной стороны широкое распространение компьютеров и совершенствование средств их графической периферии, а с другой – накопление обширных аэрокосмических, картографических, статистических и других материалов; потребность упорядочения получаемой на их основе информации в базах данных для разнообразных целей; обеспечение сохранности и доступности этих материалов для широкого круга пользователей; возможность оперативной визуализации данных и результатов анализа и моделирования; необходимость оперативных принятий решений.

Начальный этап становления автоматизации обработки пространственной информации относится к 50-60-м гг. прошлого века (становления компьютерных технологий) и связан с развитием теории пространственных процессов в экономической и социальной географии, осознанием экологических проблем, а также с началом исследований в области компьютерной картографии. В этот период и до начала 80-х годов решающее влияние на развитие ГИС оказывала Гарвардская лаборатория машинной графики и пространственного анализа. В институте географии Вашингтонского университета В. Тоблером (Tobler W.) были разработаны компьютерные алгоритмы для картографических проекций.

Первые ГИС появились в Швеции в середине 60-х г., в разработке которых принимали участие географы Университета Лунда (О. Саломонссон., Т. Германсен др.). Эти ГИС существенно отличались от современных узостью задач: пространственный аспект данных в них был ограниченным, они работали, в основном с земельно-учетной документацией.

Наиболее значимым достижением этого периода стало создание в 1963—1971 гг. Канадской ГИС (CGIS) под руководством Роджера Томлинсона (называемого "отцом ГИС"). CGIS считается первой ГИС и до сих пор остается одной из крупнейших. Это региональная ГИС национального уровня, созданная для анализа данных инвентаризации земель Канады в целях рационализации землепользования в крупных сельских районах страны, получения статистических оценок, создания карт систематизации земель по различным признакам, в том числе пригодности для разного использования (масштаб исследований 1:50 000). Ее становление внесло существенный вклад в развитие концептуальных и технических аспектов ГИС. В ней впервые данные инвентаризации формировались на основе цифрования карт с помощью специально созданного экспериментального сканера.

В институте исследования систем окружающей среды (ESRI), который был основан Джеком Данжермондом в 1969 г., шло постепенное развитие моделей пространственных данных (растровых и векторных систем) на базе теоретических идей и методов, разработанных в Гарвардской лаборатории и других организациях. В конце 60-х гг. разработана система GRID — первый опыт растровых ГИС, в котором вывод результатов в виде растровых карт осуществлялся на построчно-печатающее устройство (АЦПУ), но карты имели низкое разрешение и плохое качество. Однако в этой разработке уже были реализованы идеи наложения слоев (оверлея).

70-е – 80-е гг. XX в. ознаменованы развитием фундаментальных принципов ГИС: сформулированы понятия пространственного объекта и его описания позиционными и атрибутивными характеристиками; разработаны технология цифрования карт как основного источника данных в ГИС и операции манипулирования пространственными данными. Быстрый прогресс геоинформационных и картографических технологий связан с развитием в США деятельности Геологической службы и Бюро переписей. В конце 70-х годов под эгидой Международного географического союза выполнена инвентаризация прикладных ГИС и программных средств; выпущен уникальный трехтомник "Программное обеспечение обработки пространственных данных" [D.Marbl, Computer software, 1981].

В начале 80-х гг. появилось программное средство ГИС – система ARC/INFO, в которой реализованы идеи Канадской ГИС о разделении информации – пространственной и атрибутивной составляющих данных, осуществлено соединение стандартной реляционной системы управления табличными базами данных (INFO) со специализированной программой ARC манипулирования объектами, хранящимися в виде набора дуг. Это первый ГИС- и картографический пакет, использующий преимущества персональных компьютеров (ПК).

Бурное развитие ПК, значительное увеличение их оперативной и дисковой памяти и повышение качества графических устройств ввода-вывода картографической информации стали основной причиной прогресса в области геоинформатики конца 80-х – начала 90-х гг. Появились доступные программные средства мирового уровня. Крупные фирмы-производители программных средств ГИС – ESRI Inc., ERDAS Inc., Intergraph Corp., MapInfo Corp. (все США) разработали программные продукты профессионального уровня, допускающие их многовариантное использование (ArcGIS, Erdas Imagine, GeoMedia, MapInfo). Значительный вклад в развитие методов пространственного анализа и моделирования внесли Питер Берроу (Burrough P.A.), Майкл Гудчайлд (Goodchild M.F.), Кристофер Б. Джонс (Jones  C.), Майкл ДеМерс (М. De Mers) и др.

Появились и первые российские программные средства ГИС. Среди них самыми известными являются GeoDraw и ГеоГраф Центра геоинформационных исследований Института географии РАН, а также ГИС «Панорама» (КБ «Панорама»), Photomod (ЗАО «Ракурс»).

Исследования в области геоинформатики проводили Институт географии РАН и ее Дальневосточный научный центр, Московский (кафедра картографии и геоинформатики), Казанский, Тобольский, Тартуский и Харьковский университеты, а также специально созданные центры (Госгисцентр, ЦГИ ИГРАН, ИРЦГТ СО РАН), а также ГИС-ассоциация. Осуществлялись исследования в областях теории пространственного анализа и моделирования, (А.М. Берлянт, В. Т. Жуков, А.С. Мартыненко, С. Н. Сербенюк, А.В. Скворцов, Ю. Г. Симонов, B. C Тикунов, И. Г. Черванев, В. А. Червяков и др.), теоретического обоснования и разработки геоинформационных систем (Н. Л. Беручишвили, И. В. Гармиз, В. П. Каракин, Ю.К.  Королев, А. В. Кошкарев, В. Г. Линник, И. К. Лурье, A. M. Трофимов и др.). Среди первых ГИС были геоинформационная система Марткопского физико-географического стационара Тбилисского университета (1986) и ГИС учебно-научного стационара МГУ имени М.В. Ломоносова – «Сатино» (1995).

Новое тысячелетие определяют: доступность ГИС для массового пользователя в разных сферах деятельности, развитие сетевых технологий и использование Интернета, формирование инфраструктур пространственных данных (ИПД), «интеллектуализация» ГИС и интеллектуальный анализ данных (data mining), создание мобильных ГИС, обеспечивающих непосредственно в полевых условиях сбор и обновление данных для ГИС в реальном времени. Перспективы развития геоинформатики и ГИС связаны с созданием и применением экспертных систем и баз знаний, отражающих специальные знания географов.

Представление и организация географической информации в базах данных

Метод геоинформатики подразумевает создание и исследование цифровых информационных моделей геосистем, основанных на интеграции логически связанных представлений свойств реальных пространственных объектов и данных о них. Наибольшее внимание уделяется моделям пространственных данных и их организации в базах данных ГИС, т.е. компьютерному представлению геоинформации. Логически выделяют четыре модели.

  • концептуальные модели представления реальности, основанные на разных свойствах реальности, необходимых для ее интерпретации и анализа;
  • модели пространственных объектов, определяющие процесс преобразования реального разнообразия в набор дискретных объектов, способы описания пространственных объектов и организации пространственных данных в компьютерных средах – построения цифровых моделей пространственных объектов, базирующихся на понятиях геометрии и пространственной размерности;
  • модели пространственных данных – цифровые представления данных в базах геоданных, отражающие логические правила формализованного цифрового описания объектов (векторного, растрового, послойного);
  • модели системы управления базой данных (СУБД) – комплекс программ и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования баз данных; разработаны в информатике.

ГИС-технологии и функциональные возможности ГИС

Стратегию создания любой ГИС определяют функции, которые она будет выполнять. Кроме традиционных – сбор, хранение, обработка и передача информации, ГИС должны обладать функциями, способствующими сочетанию сложившихся ранее и новых геоинформационных методов решения географических задач. ГИС-технологии создания и использования геоинформационных систем для анализа и моделирования представляют комплекс функций ГИС и программных средств. Они включают операции и отдельные функции, которые могут группироваться в алгоритмические процедуры для обеспечения решения задач целевого назначения конкретной ГИС. К базовым ГИС-технологиям относятся:

  • ввод данных – осуществляется путем цифрования источников (сканирования или ручного обвода объектов по изображению карт, снимков и т.п. на экране монитора) или импорта из существующих наборов цифровых данных;
  • преобразование данных – конвертирование форматов (векторных, растровых, внутренних форматов ГИС-пакетов); трансформирование картографических проекций и выполнение прямой или косвенной координатной привязки данных – важнейшей операции в ГИС;
  • управление данными в базах данных – поиск по пространственному (где?) или атрибутивному (что?) запросам, редактирование и модификация данных, интеграция данных из разных источников, выполнение аналитических операций (вычисление длин, площадей и др. картометрических операции);
  • оверлей – наложение друг на друга двух или более слоев, в результате чего образуется графическая композиция исходных слоев (графический оверлей) или один слой, содержащий композицию пространственных объектов исходных слоев; предполагается, что слои представлены в одной системе пространственных координат, проекции и масштабе; одна из базовых технологий анализа данных и их пространственных или качественных взаимосвязей; в растровых моделях часто называется «алгебра карт»;
  • пространственный анализ – набор операций преобразования и совмещения в пространстве информации разного типа, (например, оверлей слоев экологических и социальных факторов для принятия решений по землепользованию); построения буферных зон (буферного пространства вокруг точек, линий и полигонов); классификации и группировки многопараметрических данных; анализ размещения и связей объектов, соседства, сетей, видимости-невидимости и др.
  • пространственное моделирование – набор логических и математических операций интерполяции для построения моделей пространственных объектов, абстрактных (моделей оптимального размещения, распределений, концентрации и т.п.) и реальных (цифровых моделей рельефа и т.п.) поверхностей, моделей принятия решений;
  • вывод результатов – представление результатов преобразования данных, анализа и моделирования в текстовой и графической форме, в виде карт и других геоизображений, в мультимедийной форме; экспорт данных.

Большая часть ГИС-технологий с точки зрения программной реализации представляет собой набор программных процедур и элементарных операций (утилит), на комбинации которых основываются способы структуризации и хранении пространственных данных в БД, преобразования данных для выполнения географического анализа, выполнения специальных функций, таких как прокладка маршрута, поиск кратчайших расстояний, построение моделей поверхности и т.д. К таким наборам процедур относятся технологии создания экспертных систем и баз знаний, методы искусственного интеллекта (содержательный анализ данных), методы моделирования виртуальной реальности, веб-картографирование и создание веб-ГИС.

Применение ГИС-технологий для пространственного анализа и моделирования

Перенесение известных методов географического анализа в геоинформационную среду способствует развитию новых геоинформационных технологий пространственных исследований. Основное назначение ГИС – обеспечить выполнение анализа и моделирования размещения, связей, динамики объектов и процессов, происходящих на Земле, а также поддержку принятия пространственно-связанных решений. Уже база данных является моделью геопространства в том смысле, что она представляет некоторые реальные явления или их аппроксимации. Создаваемые в ГИС карты – традиционное средство моделирования и отображения геосистем. Но при интерактивной работе с картографическими слоями на компьютере может быть создана новая информация, которой нет в явном виде на карте. ГИС позволяет выполнить моделирование некоторого пространственного процесса путем "математической" интеграции данных, представленных в БД. Методы и ГИС-технологии условно подразделяют на группы, предназначенные для решения на основе информации в БД ГИС задач:

  • пространственного анализа (изучение размещения, динамики, связей и иных отношений пространственных объектов);
  • пространственного моделирования (структуры геосистем, взаимосвязей, динамики);
  • обеспечения поддержки принятия решений с созданием экспертных систем;
  •  создания и использования карт (задач геоинформационного картографирования).

Множество аналитических средств географического анализа и моделирования, наиболее востребованных в ГИС, и доступных в той или иной форме в современных ГИС-пакетах, представляют методы для:

  • определения местоположения и оптимального размещения, например городское планирование и управление использования земли;
  • построения и анализа статистических (физических и абстрактных) поверхностей, например,  цифровых моделей рельефа или моделирование окружающей среды;
  • моделирования пространственных распределений, например, исследование плотности населения или местообитаний диких животных.

Математически и алгоритмически решение задач основано на применении методов интеграции признаков для исследования взаимосвязей и классификации объектов и методов интерполяции и экстраполяции для построения моделей поверхностей или процессов на основе данных, измеренных в исходных (опорных, ключевых, тестовых) точках. Получаемые результаты напрямую зависят от выбора точек, их расположения и описания.

Рекомендуемая литература

Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов (авторы Баранов Ю.Б, Берлянт А.М., Капралов Е.Г. и др.)/ под ред. Берлянта А.М., Кошкарева А.В. М. 1999

Геоинформатика. Учебник для Вузов в 2-х книгах. Коллектив авторов./ под ред. Тикунова В.С. М. 2010

ДеМерс М.Н. Географические информационные системы. Основы/Пер. с англ. М. 1999

Кошкарев А.В., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы./ под ред. П.Я. Бакланова. М. 1987

Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика. /под ред. Д.В. Лисицкого. М. 1993

Кошкарев А.В. Понятия и термины геоинформатики и ее окружения. М. 2000

Лурье И.К. Геоинформационное картографирование. Методы геоинформатики и цифровой обработки космических снимков. М. 2010

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.