Общее представление о ГИС
Термин "географическая информационная" система является дословным переводом с английского "Geographic(al) information system". Различные определения ГИС, 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. 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".
Следует подчеркнуть два определяющих момента:
- географические информационные системы, прежде всего, имеют дело с географической информацией, тематически разнообразной, сопоставимой, координированной, масштабированной и генерализованной в пространстве и времени;
- используют законы информатики, которая в свою очередь есть "система знаний, относящихся к производству, переработке, хранению и распространению всех видов информации в обществе, природе и технических устройствах".
Изучение конкретного пространства - привилегия не только ГИС. Изначально изучение пространственных форм объектов реального мира относится к основным задачам математики. Космическое и земное пространство исследуется также физическими науками. Изучение прост-ранственных представлений действительности входит в задачи математико-картографического моделирования. Специфика геоинформационного изучения пространства состоит в использовании геоинформационных моделей действительности и в их разработке в комплексе с методами других наук. Но изучение только пространственного расположения - сильное сужение задачи, важен учет существа явлений, их пространственного состояния, структуры, взаимосвязей и функционирования.
Термин ГИС часто употребляется и в другом значении - он обозначает программное средство ГИС, программный продукт, ГИС-пакет, обеспечивающий функционирование ГИС как системы (ГИС ArcView , ГИС IDRISI).
Основные этапы развития ГИС
Начальный этап становления автоматизации обработки пространственной информации связан с открытием доступа к ЭВМ, в первую очередь на Западе, не только для пользователей-математиков и системных программистов и относится к концу 50-х годов. Начало положило создание достаточно простых картографических изображений, в основном картограмм, выводимых на геометрически неточное алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). Первым значительным пакетом программ для этих целей стал SYMAP, выпущенный в 1967 году Гарвардской лабораторией машинной графики и пространственного анализа.
Первоначально ГИС предназначались для решения достаточно узких задач, в первую очередь инвентаризации земельных или экономических ресурсов, обработки статистической информации. Первые ГИС появились в Швеции в середине 60-х годов. В период 1963-1971 годов велась разработка Канадской лесной ГИС, которая до сих пор остается одной из крупнейших.
До 1980 года из-за высоких цен на аппаратуру интерес к этим технологиям в России проявляли лишь крупные государственные научные и производственные организации. Затем затраты на применение ЭВМ существенно снижались, примерно на порядок за каждые шесть лет. Основной причиной прогресса в ГИС-технологиях с начала 90-х годов, несомненно, явилось развитие и распространение электронно-вычислительной техники, и именно персональных компьютеров (ПК). Особенно сказались повышение быстродействия ПК, значительное увеличение оперативной и дисковой памяти, новых запоминающих устройств, повышение качества графических устройств ввода и вывода картографической и аэрокосмической информации. И конечно - доступность программных средств ГИС мирового уровня, допускающих многовариантное их использование. Крупные фирмы-производители программных ГИС-продуктов, такие как ESRI, ERDAS, INTERGRAF , предоставили свои пакеты бесплатно или с большими скидками целому ряду научных и образовательных организаций, что способствовало скорейшему освоению и использованию ГИС-технологий, позволило быстрее увидеть и оценить перспективы. Правда, это явление существенно затормозило процесс создания отечественных ГИС-продуктов, в теоретических разработках и в программном обеспечении отдельных модулей которых были уже достигнуты значительные результаты на начальных стадиях работ по автоматизации.
Потребность в использовании и создании ГИС, анализе количественных и качественных показателей пространственно привязанных объектов и явлений возникает в настоящее время у представителей различных областей деятельности и профессиональных знаний - науки, техники, образования, управления, маркетинга и многих других. Отсюда все возрастающий интерес к ГИС и геоинформационным методам.
Роль ГИС не ограничивается сбором, обработкой, хранением и передачей информации. Для наук о Земле ГИС стала одним из основных инструментов моделирования природных, хозяйственных, социальных процессов и ситуаций, изучения их связей и взаимодействий, прогнозирования развития в пространстве и времени, получения новой качественной и количественной информации, а главное средством обеспечения (поддержки) принятия решений управленческого характера и представления выводов. Каждая из наук, имеющих дело с пространственно распределенной информацией, предоставляет целый ряд методов, которые в совокупности своей способствуют созданию и функционированию ГИС.
Карты как основа ГИС. Понятие о геоинформационном картографировании
Картография, имеющая богатые традиции отображения пространственной информации на картах, на которые ранее возлагалась и задача ее хранения, представляет основные источники данных для ГИС. Поэтому традиционные методы картографии имеют основополагающее значение для них. В то же время можно выделить 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. С другой стороны, появляется 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.
Компьютерная картография разрабатывает методы цифрового представления картографических характеристик. Современные ГИС-пакеты обладают средствами форматирования карт и размещения надписей, огромными библиотеками знаков и шрифтов, управления дорогостоящими устройствами, обеспечивающими высокое качество конечной продукции. Получило развитие новое направление в картографии - геоинформационное картографирование (ГК), занимающееся автоматизированным составлением и использованием карт на основе геоинформационных технологий и баз географических данных и знаний.
Геоинформационное картографирование не сводится только к использованию ГИС-технологий. Это, прежде всего картографирование объектов и явлений, основанное на методах анализа и синтеза их содержательной сущности.
Однако 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-технологий ее анализа открывают новые пути манипулирования географическими знаниями и их отображения (визуализации).
Карты для ГИС поставляют разную информацию и в ГИС они используются по-разному. 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 средством изображения географических явлений, поставляя информацию для тематических слоев БД ГИС, служат 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 их важные особенности:
- изображение на картах абстрактно и генерализовано, что требует их весьма осторожной интерпретации;
- карты показывают только статичную картину, один временной срез;
- от масштаба карты зависит не только как, но и какие объекты изображены, а большая часть ГИС не учитывает различий между наборами данных, полученных с разномасштабных карт;
- при показе сферической поверхности Земли на плоском листе карты неизбежны искажения; наименьшие искажения возникают, когда на карте изображены небольшие территории, наибольшие - когда на карте стремятся показать всю поверхность Земли.
Свойства карт, заложенные при их создании, переносятся и на данные, полученные с этих карт, а обнаруживаются часто лишь при последующей обработке цифровых данных.