1.5. География и ГИС

1.6. Карты как основа ГИС зз

быть единственный за всю ее историю шанс действительно стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую может опереться геоинформационная индустрия, одним из стержневых направлений информатизации общества на всех уровнях, начиная со школ».

Перспективы развития геоинформационных методов географических исследований базируются на сочетании традиционных и новых геоинформационных методов решения наиболее приоритетных задач:

•пространственно-временной анализ, включающий исследование взаимосвязей процессов и явлений в геосистемах разного уровня средствами преобразования и совмещения в пространстве информации разного типа;

•моделирование и определение необходимых параметров для построения имитационных, картографических, математикокартографических моделей;

•представление (визуализация) пространственно-временных данных (электронные карты и атласы, преобразованные снимки, таблицы, анимационные модели и т. п.) для интерпретации и принятия решений по управлению;

•создание и применение экспертных систем и баз знаний, отражающих специальные знания географов.

Исследования в этих направлениях и должны служить теоретическим и практическим обоснованием для создания ГИС разного назначения.

1.6. Карты как основа ГИС Понятие геоинформационного картографирования1

Картография, имеющая богатые традиции отображения пространственной информации на картах, на которые ранее возлагалась и задача ее хранения, представляет основные источники данных для ГИС. В преобладающем большинстве геоинформаци-

'Термин «геоинформационное картографирование» впервые введен

А.М. Берлянтом, а в 1996 г. официально закреплен Государственным стандартом Российской Федерации.

онных систем основой БД служит соответствующая базовая карта, поэтому традиционные методы картографии имеют основополагающее значение для них. В то же время можно выделить и основные области ГИС-приложений для картографии:

•автоматизация создания картографического произведения;

•обновление и создание производных карт как результат анализа, преобразования данных и моделирования на основе ГИС-технологий;

•новые методы использования карт как в ГИС, так и, например, при построении динамических картографических анимаций.

ГИС базируется на анализе картографической информации и позволяет преодолеть ограниченность «ручного» анализа, обеспечивает возможность составления производных карт по имеющимся, например, морфометрических карт по картам рельефа, карт изменений на основе разновременных карт. ГИС, использующая для создания слоев множество тематических карт, представляет хорошее средство их согласования.

ГИС-технологии способствовали развитию методов нового направления в картографии — геоинформационного картографирования (ГК) — автоматизированного создания и использования карт на основе баз географических данных и знаний. Современные ГИС-пакеты содержат средства форматирования карт и размещения надписей, управления дорогостоящими устройствами, обеспечивающими высокое качество конечной продукции, огромные библиотеки знаков и шрифтов. Задачи и методы геоинформационного картографирования рассматриваются в главе 7.

Известно, что карты обладают ограниченными аналитическими средствами по сравнению с ГИС. В отличие от данных для ГИС, форма хранения картографических данных не обеспечивает, например, возможности анализа взаимосвязей между различными феноменами, если они не отображены на карте. Некоторые вопросы могут вызвать затруднения или потребовать много времени для ответа, например, «какова площадь этого озера?», «что показано на определенной тематической карте для данной точки на этой топографической карте?».

Перевод карт и других источников пространственной информации в цифровую форму и ГИС-технологии ее анализа открывают

новые пути манипулирования географическими знаниями и их отображением (визуализацией).

Карты для ГИС поставляют разную информацию и в ГИС они используются по-разному. Системы координат и разграфка, принятые в картографии, служат основой для географической локализации всех данных в ГИС. Топографические карты, показывающие контуры объектов на поверхности Земли, чаще всего являются основой для БД ГИС, для привязки и отображения другой дополнительной информации. Тематические карты служат как средством изображения географических явлений, поставляя информацию для тематических слоев БД ГИС, так и основой для пространственного анализа взаимосвязей, отраженных на картах.

Существенное значение для ГИС имеет использование тематических карт и фотокарт, созданных на основе данных дистанционного зондирования.

При использовании карт в ГИС нужно постоянно помнить, что свойства карт, заложенные при их создании, переносятся и на данные, полученные с этих карт, а обнаруживаются часто лишь при последующей обработке цифровых данных.

1.7Липы ГИС. Проблемно-ориентированные ГИС

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

•по проблемной ориентации;

•по предметной (объектной) специализации;

•по территориальному охвату.

Проблемная ориентация ГИС определяется возлагаемыми на нее научными или прикладными задачами, полностью определяемыми пользователем. Это прежде всего инвентаризационные задачи, кадастр, мониторинг, оценка и прогноз, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Предметная или объектная ориентация может определяться ведомственными или отраслевыми интересами (землеустройство, природные катастрофы, охрана природы), которые имеют дело с различными объектами и явлениями на определенной территории: земля, лес, население и т. д.

По территориальному охвату различают ГИС:

•глобальные, имеющие дело с информацией планетарной; характера;

•субконтинентальные (обычно государственного или национального характера) и океанов;

•региональные;

•локальные, включающие городские или муниципальньк ГИС, часто экспериментальные или учебные.

Территориальному уровню исследований должны соответство-

предметные и территориальные аспекты. Содержательное соответствие решаемой проблеме — важнейшее свойство ГИС как модели геосистемы (реальности). Оно подразумевает научно обос нованное отображение главных особенностей действительное™ с учетом генезиса, внутренней и внешней структуры, иерархии объектов. Без четкого определения круга задач не имеет смысле начинать ГИС-проект. ГИС может выполнять функции научносправочной системы, являясь сводом и обобщением научны); знаний об отображенных в ее тематической базе данных природных и социально-экономических явлениях, использоваться в разных научных практических целях и для поддержки принятия решений Поэтому проблемы, решаемые ГИС, в конечном счете сводятся > набору географических задач, различающихся по цели и методал1 решения.

С проблемой неразрывно связан строго определенный набор пространственных данных — набор исходной информации для ее решения, обусловливающий содержание базы данных. Тематическая база интегрированных географических данных, отнесенных к исследуемой территории, является, по существу, сложной информационной моделью объекта исследования в проблемно-ориенти- рованной ГИС. Информационное обеспечение (представленные в цифровой форме карты, аэрокосмические снимки, материалы наземных наблюдений, а также данные непространственного характера) — наиболее дорогостоящая часть всякой ГИС, достигающая пс затратам 80-90 % стоимости проекта.

38 Глава 1. Фундаментальные понятия геоинформатики и ГИС

Примерами типовых географических задач, которые требуют разных наборов пространственных данных и применения разных ГИС-технологий, служат задачи инвентаризации, оценки, исследования динамики и прогноза состояния природной среды.

При решении инвентаризационных задач ГИС-технологии способствуют максимально эффективному использованию разных источников информации: полевых обследований, оперативной аэрокосмической съемки, карт, данных статистики. Соответственно и форматы данных могут быть любые.

Решение различного рода оценочных задач с использованием ГИС-технологий также становится более эффективным. Например, в задачах экологической оценки территории совмещают территориально привязанные атрибутивные параметры (табличные данные, данные выборочных полевых обследований) антропогенного воздействия или его интенсивности. Примером таких задач служат оценка качества сельскохозяйственных земель на основе совмещения карт ландшафтов и использования земель с применением алгоритма балльной оценки компонентов ландшафта.

Воснове решения динамических задач, трактуемых как изучение

икартографирование изменений в природе, природопользовании и антропогенном воздействии на природу, лежит сопоставление разновременных материалов: полученных в разные годы результатов аэрокосмических съемок, карт, фиксирующих состояние исследуемого объекта на разные даты, либо разновременных картографических н съемочных материалов. Поскольку при этом используются разнообразные материалы, необходимым этапом является приведение их к геометрически сопоставимому виду — единому масштабу и проекции т. е. взаимное трансформирование, что составляет важный элемент ГИС-технологии. После геометрического совмещения выполняется тематическое совмещение материалов. Для выявления изменений границ или замещения 2 - 3 объектов применяют, как правило технологии, носящие названия «оверлей» и «рекласс» (см. главу 4) При исследовании изменений большого числа объектов, нескольким временных срезов, эволюции исследуемых объектов их различия представляют обычно в виде матрицы — «матрицы динамики».

Основа решения прогнозных задач — выявление тенденций и темпов динамики процессов, поэтому на первый план выходят ГИС-технологии моделирования, и в первую очередь математике картографического моделирования. Ряд параметров моделей фу и к-

ционирования геосистем, пространственно-временная изменчивость природных и антропогенных объектов могут быть определены по снимкам. Эффективность моделирования связана с необходимостью создания банков данных наземной, картографической и аэрокосмической информации, с автоматизированными методами интерпретации и отображения информации. В этих задачах наиболее полно проявляется интеграция методов географии, картографии, аэрокосмического зондирования и геоинформатики.

Обучающие (учебные) ГИС — особый тип проблемно-ориенти- рованных ГИС. Их создание обусловлено потребностью фундаментальной подготовки специалистов высшей квалификации, обладающих навыками решения многообразных задач изучения и выявления закономерностей в природе и обществе на основе пространственнокоординированной информации и ГИС-технологий. Концепция таких ГИС разработана на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Проблемная ориентированность учебных ГИС способствует решению двух проблем: внедрения ГИС в науки о Земле и практического освоения основ геоинформатики, геоинформационных методов решения прикладных задач. Такие ГИС являются компьютерным учебным пособием для решения этих проблем, а также средством аккумулирования опыта и знаний специалистов в соответствующих областях. Обучающая ГИС должна удовлетворять ряд требований: по территориальному охвату, структуре базы данных, информационному и программному обеспечению. Наиболее методически целесообразный территориальный уровень обучающих ГИС — локальный, для территорий учебнонаучных полигонов и станций, позволяющий верифицировать полученные результаты на ключевых участках. Ядром обучающей ГИС является база интегрированных географических данных, обеспечивающая комплексное географическое и системное изучение территории и объединенная учебными заданиями по специальности.

Концепция такой геоинформационной системы практически реализована в учебной ГИС для учебно-научного полигона МГУ — ГИС «Сатино», созданная в результате коллективных работ кафедр географического факультета Московского университета в рамках Программы «Университеты России» (рис. 1.5). Для ее функционирования разработаны и реализованы базы тематических и атрибутивных данных, оригинальные методики и технологии решения типовых географических задач. Координатная увязка информационных слоев в базе данных ГИС

Открытые ГИС. Положения проблемно-ориентированных ГИС соответствуют теоретическим и практическим целям географических

идругих пространственно-определенных исследований. Тенденции глобализации во многих сферах деятельности человеческого общества и коммуникационные потребности привели к возникновению другого направления — к созданию открытых ГИС.

Концепция открытых ГИС базируется на стремлении к развитию коммуникации в геопространственной области и взаимодействию между программными и техническими средствами ГИС. Колоссальные объемы зарегистрированной пространственно-опреде- ленной информации, включающей не только снимки и карты, накоплены в мире, и их стоимость оценивается биллионом долларов. Развитие коммуникационных технологий, и в особенности Интернета, создают потенциальные возможности для обмена, интеграции

ираспространения такой информации. Основной причиной практической нереализованности этих возможностей являются стандарты данных, принятые в разных странах мира, например, разные системы координат и способы геокодирования. Со стандартами связаны

иосновные отличия ГИС-пакетов, хотя различия в их функциональных возможностях при картографировании и пространственном анализе постепенно стираются. Кроме того, запросы к данным у пользователей ГИС различны.

Ключевой фразой открытых систем, направленной в сторону пользователей, является независимость от конкретного поставщика данных и программных продуктов. Ориентируясь на продукцию компаний, придерживающихся стандартов открытых систем, потребитель, который приобретает любой продукт такой компании, не попадает к ней в рабство. Он может продолжить наращивание мощности своей системы путем приобретения продуктов любой другой компании, соблюдающей стандарты. Причем это касается как аппаратных, так и программных средств и не является необоснованной декларацией.

Основанный крупными фирмами-производителями программных ГИС-продуктов консорциум Открытых ГИС во главе с компанией Intergraph, объявил своей главной целью разработку стандартов интерфейсов для пространственных данных и поддержки разных структур программного обеспечения таких ГИС. Политика интеграции базируется на современной технологической базе и архитек-

рассматривается как трехмерное топографическое представление планеты в растровом и векторном форматах с переменным разрешением (до 1 м), с накоплением и использованием огромных объемов тематической информации.

В отличие от проекта США российская концепция, изложенная профессором А. И. Мартыненко (2002), направлена на разработку многомерных компьютерных моделей разных компонентов геосистемы для выявления и анализа закономерностей их развития, на создание комплексной базы знаний, а также на отображение интегрированной пространственной информации в динамике. Концепция предполагает формирование единого информационного пространства страны, что, по существу, является самостоятельной чрезвычайно сложной научной и практической задачей, далекой от решения. Тем не менее ведутся и активно обсуждаются теоретические и практические проблемы создания геоинформационных технологий, позволяющих интегрировать многоаспектную информацию о Земле, России, ее регионах, Москве и других городах.