Что такое геоинформационные системы?

В наиболее общем смысле, геоинформационные системы это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности и используемые для управления ею. Это рабочее определение не является ни полным, ни точным.

Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС. Сам термин изменяется в зависимости от интеллектуальных, культурных, экономических и даже политических целей (см. Таблицу 1.1). Эта терминология стала в действительности очень изменчивой, приводя ко все более запутанному жаргону, все новым определениям, постоянно проникающим как в научную, так и в популярную литературу.

Отсутствие общепринятого определения привело к значительному недопониманию того, что такое ГИС, каковы их возможности и для чего такие системы могут применяться. Это привело к тому, что некоторые люди полагают, например, что нет отличий между картографией компьютерной, компьютерным черчением и собственно ГИС. Поскольку графические экраны всех трех систем могут выглядеть одинаково как для случайного, так и для опытного наблюдателя, легко предположить, что эти системы, при небольших различиях, в принципе, - одно и то же. Но любой, кто попытается анализировать карты, скоро поймет, что системы компьютерной картографии, придуманные для создания карт из графических примитивов (геометрических фигур) в сочетании с описательными атрибутами, прекрасно подходят для отображения карт, но обычно не содержат аналитических возможностей ГИС.

Географическая информационная система
(Geographic information system)
Американская терминология

Географическая информационная система
(Geographical information system)
Европейская терминология

Геоматика (Geomatlque)
Канадская терминология

Геореляционная информационная система
(Georelational information system)
Техническая терминология

Информационная система по природным ресурсам
(Natural resources Information system)
Дисциплинарная терминология

Информационная система по геологии или наукам о Земле
(Geosclence or geological Information system)
Дисциплинарная терминология

Пространственная информационная система
(Spatial Information system)
Негеографический термин

Система анализа пространственных данных
(Spatial data analysis system)
Терминология на основе того, что система делает

Аналогично, для чисто картографических целей желательно использовать именно систему компьютерной картографии, разрабатываемую только для ввода, организации и вывода картографических данных, нежели продираться через мириады аналитических функций мощной профессиональной ГИС всего лишь для создания простой карты. Системы компьютерного черчения, специально разработанные для создания графических изображений, не привязанных к внешним описательным данным, - прекрасный инструмент для архитектора, ускоряющий производство архитектурных чертежей и упрощающий их редактирование.

* Автор, как правило, не различает геоинформатику как научную дисциплину и геоинформационные системы как программные продукты, используя в обоих случаях термин GIS; в переводе, по возможности, делается различие между ними. — прим. перев.

В отличие от систем компьютерной картографии, они неудобны для создания карт, но при этом тоже не имеют средств анализа карт, обычно главной задачи ГИС.

Для опытного пользователя ГИС не требуется определения. Но для тех, кто только слышал об этой технологии, определение может оказаться полезным. Для предварительного рассмотрения можно взять определение, данное Дэвидом Райндом (David Rhind), назвавшим ГИС "компьютерной системой для сбора, проверки, интеграции и анализа информации, относящейся к земной поверхности" [Rhind 1988]. Это определение содержит ряд весомых элементов, которые стоит рассмотреть поподробнее.

Во-первых, оно говорит, что ГИС имеют дело с земной поверхностью. Хотя это не является абсолютно необходимым условием, подавляющее большинство применений ГИС имеют дело с участками этой поверхности.

Во-вторых, утверждение о том, что ГИС используются для сбора, проверки, интеграции и анализа информации, напоминает о большом числе групп операций, необходимых для любой геоинформационной системы.

Предлагались и другие определения ГИС. Некоторые проявляли сильную связь между ручными и компьютерными методами анализа карт [Dickinson and Calkins 1988, Aronoff 1989, Star and Estes 1990]. Большинство других явно указывали среди главных целей ГИС использование их как инструмента анализа информации о земле [Aronoff 1989, Parker 1988, Dueker 1979, Smith et al. 1987, Cowen 1988, and Koshkariov, Tikunov and Trifimov 1989]. Как мы увидим в заключении, определение можно расширить также и для включения организаций и людей, работающих с пространственными данными [Carter 1989]. Для любой быстро развивающейся технологии определения могут меняться.

Для данного случая я избрал определение, которое представляет ГИС как набор подсистем, ее образующих. Это определение, предложенное Марблом и Пюке [Marble and Peuquet 1983], и используемое другими в той или иной форме в их собственных определениях [Parker 1988, Ozemoy, Smith and Sicherman 1981 and Burrough 1986], в целом резюмирует то, что же мы делаем с помощью ГИС, и как мы это делаем. Оно утверждает, что ГИС имеют дело с пространственно-временной информацией и часто, но не обязательно, используют компьютеры. Более важно, однако, что это определение использует идею подсистем, которая дает легко понимаемые рамки изучения ГИС. В соответствии с этим определением, ГИС имеют следующие подсистемы:

1. Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта х данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).

2. Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования.

3. Подсистема манипуляции данными и анализа, которая выполняет различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции.

4. Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме. Это определение позволяет легко сравнить современные компьютерные ГИС с традиционными бумажными картами, особенно если рассмотреть этапы картографического процесса (Таблица 1.2).

Первая подсистема ГИС может быть соотнесена с первым и вторым шагом процесса картографирования - сбором данных и компиляцией (составлением) карты [Robinson etal. 1995] (Таблица 1.3). При традиционной технологии картограф собирает карту из точек, линий и областей на физическом носителе, таком, как бумага или пластик. Информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные описания и зарисовки, данные статистики и т.д.

Компьютерный аналог использует электронные устройства для записи, или кодирования (encode), точек, линий и областей в компьютерную систему. Источники данных часто те же, что и в традиционной технологии, но сейчас включают и широкий спектр цифровых источников: готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые ортофотоснимки и многие другие.

Хотя механизмы этих технологий различаются, используемые в реальности методы удивительно похожи.

Сравнение процесса картографирования в случае традиционной картографии (карта) и геоинформационных систем (ГИС)

Карта
Сбор данных: аэрофотоснимки,
геодезические работы и др.
Обработка данных: агрегирование,
классификация и т,д,; линейный
процесс
Производство карты: конечная стадия
(без распространения)
Тиражирование карты

ГИС

Сбор данных: аэрофотоснимки,
геодезические работы и др.
Обработка данных: агрегирование,
классификация, плюс анализ;
циклический процесс
Производство карты: не всегда конечный
этап, Обычно на основе одной карты
создаются и другие.
Тиражирование карты

Традиционная картография и ГИС: сравнение функций
подсистемы ввода

Карта

Ввод: запись (компиляция) на бумаге
- точки
- линии
- области
Источники
- аэрофотосъемка
- цифровое дистанционное
зондирование
- геодезические работы
- словесные описания и зарисовки
- статистические данные и др.

ГИС

Ввод: запись (кодирование) в память
компьютера
- точки
- линии
- области
Источники - то же, что и для карт плюс:
- готовые цифровые карты
- цифровые модели рельефа
- цифровые ортофотоснимки
- цифровые базы данных

Подобная же ситуация имеет место со второй подсистемой, подсистемой хранения и выборки (Таблица 1.4). Хотя нет прямого соответствия в картографическом методе, сама карта является средством хранения и выборки информации. Точки, линии и области, которые нанесены на карту, хранятся там для выборки их читателем карты. Говорят, что карта - наиболее компактный носитель для хранения пространственно-привязанной информации и, возможно, является наиболее сложным графическим изобретением. Нередко даже, насыщенность и сложность карты мешают пользователю извлекать из нее информацию.

В ГИС подсистема хранения и выборки имеет некоторые преимущества перед картой в том, что можно делать запросы, возвращающие только нужную, контекстно-связанную информацию (Таблица 1.4), она переносит акцент с общей интерпретации карты на формулирование адекватных запросов. В общих словах, эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Компьютерные методы поиска естественным образом присущи самому программному обеспечению ГИС.

В картографическом методе нет прямого аналога и для подсистемы анализа, за исключением того, что карта является фундаментальным инструментом анализа пространственно-связанных данных (Таблица 1.5).

Традиционная карта требует применения линейки для измерения расстояния, транспортира для определения направления, и сетки или планиметра для измерения площади [Marble, 1990]. Более того, человек, анализирующий карту, ограничен графическими методами для представления данных на листе бумаги или пластика.

Тем не менее, эти инструменты анализа карт использовались многие годы вследствие известной полезности сравнения пространственных объектов в численной форме.

Таблица 1.4. Традиционная картография и ГИС: сравнение функций
подсистемы хранения и выборки.

Карта ГИС
Точки, линии и области рисуются на Точки, линии и области хранятся как ячейки бумаге с помощью символов. растра или координаты и идентификаторы в компьютере.
Таблицы атрибутов связаны с координатами.
Выборка - это просто чтение карты. Выборка требует эффективных методов компьютерного поиска.

Подсистема анализа является "сердцем" ГИС. Необходимость анализа карт для выделения и сравнения картин распределения земных феноменов, имеющего прототип и в утвердившейся традиции с обычными картами, дает импульс для поиска новых, более удобных, быстрых и мощных методов.

ГИС-анализ использует потенциал современных компьютеров для измерения, сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных, которые дают быстрый доступ к исходным данным и позволяют агрегировать и классифицировать данные для дальнейшего анализа. Они не только не ограничены в видах используемой информации, но и могут комбинировать наборы данных уникальными и ценными способами, далеко выходящими за рамки простого листа с изображенной картой [DeMers, 1991].

Конечно, после выполнения анализа, нужно представить как-то его результаты. В картографии, будь то традиционная бумажная картография или ее цифровой эквивалент, компьютерная картография, выходной продукт в целом тот же - карта. Наиболее общей целью картографии, по крайней мере, с точки зрения пользователя, является производство карт, обычно некоторым тиражом, для многих потребителей. Реально, производство и тиражирование являются двумя конечными этапами в картографическом методе [Robinson et al., 1995].

Значительным различием между ГИС и картографией, помимо акцента на анализе в ГИС, являются способы представления результатов анализа (Таблица 1.6). Хотя многие пользователи, возможно большинство, все же будут использовать картографическое представление, в современных ГИС есть много иных возможностей. Типичным примером некартографического представления являются распечатки таблиц, например, прогнозируемой урожайности в зависимости от типа почвы, или предполагаемое изменение населения по районам переписи. Эти же результаты можно представить набором гистограмм или графиков. Дополнительно, на поля карты или в таблицы и графики можно поместить хранимые в цифровой форме фотографии выбранных мест.

Таблица 1.5. Традиционная картография и ГИС: сравнение функций подсистемы анализа.

Карта

Требуются линейка, планиметр,
транспортир и другие
инструменты, используемые
человеком-аналитиком.
Возможности ограничены данными,
сгруппированными и представленными
на бумажной карте.

ГИС

Используются возможности компьютера
для измерения, сравнения и описания
информации в базе данных.
Обеспечивает быстрый доступ к
исходным данным, позволяет
группировать и переклассифицировать
данные для дальнейшего анализа.

Таблица 1.6. Традиционная картография и ГИС: сравнение функций подсистемы вывода.

Карта

Только графическое представление
Многие формы карт
Модификации могут включать
картограммы и др.

ГИС

Карта - лишь один из видов вывода в ГИС
За малыми исключениями, ГИС
предлагают те же возможности, что и
традиционные карты
Включают также таблицы, графики,
диаграммы, фотографии и др.

Существуют и другие разнообразные функции ГИС. Среди примеров выдачи - печать адресов на конвертах по результатам поиска в базе данных потенциальных клиентов с целью распространения рекламы. БД службы спасения может быть подключена к полицейскому или пожарному участку с тем, чтобы вызов мог быть прямо направлен к ближайшему из них. Эта выдача может быть и в форме маршрутной карты, показывающий кратчайший маршрут команде спасения к месту происшествия. В действительности типы выдачи часто продиктованы больше областью применения ГИС, нежели используемым программным обеспечением. И, как и пользователи карт, выдачи бывают самые разные.

Более интересным явлением, возникающем в результате широты спектра пользователей, является новый набор терминов, определяющих систему на основе того, что она делает. Например, возможны "полицейская информационная система", "информационная система по природным ресурсам", "переписная информационная система", "экологическая информационная система", "земельная информационная система", "кадастровая информационная система" и т.д. Хотя эти термины описывают применение ГИС в общем, они мало помогают прояснить действительную сущность системы. На самом деле они обычно вносят дополнительный вклад в путаницу. Возможно, здесь окажется полезным более структурированный подход к классификации ГИС в форме таксономического дерева (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 Классификация информационных систем. Показывает место ГИС и
ЗИС.

Этот рисунок ясно показывает разделение между пространственными и непространственными информационными системами (ИС). Правильным местом для ГИС будет категория пространственных ИС. Выделяются также два общих класса пространственных ИС; географические и негеографические. Последние, хотя часто и имеют дело с некоторой частью географического пространства, обычно имеют слабую связь с самой земной поверхностью и координатами на ней. Другими словами, обычно они не используют геокодирование. Таким образом, такие классы систем, как системы для компьютерного черчения и компьютеризованного производства (АСУТП), относятся к негеографическим пространственным ИС.

На ветви географических информационных систем есть еще одно разветвление. ГИС могут делиться на земельные и неземельные, или прочие, ИС. Хотя такое разбиение несколько искусственно, оно иногда полезно, поскольку отделяет применения ГИС, сфокусированные на собственно земле, от тех, где, хотя и используется геокодирование, более значима информация, которая может оказывать влияние на связанные с землей факторы или подвергаться влиянию с их стороны. Примером таких систем являются демографические ИС, основной целью которых являются население, жилищное строительство и экономическая активность, а не земля, на которой эти люди живут и даже не их использование этой земли.

Другим не связанным с землепользованием применением ГИС является определение границ избирательных участков. Хотя по своей сути эта задача связана с разбиванием поверхности земнли на области, она не имеет прямого и немедленного воздействия на саму землю, но оказывает влияние на распределение по участкам результатов голосования людей, живущих, на этой земле. Еще одним общим не связанным с землепользованием применением ГИС является анализ рынка, который может включать определение емкости рынка в заданном радиусе от предприятия или анализ имеющихся предприятий с целью определения положения конкурирующего или дополняющего объекта. В эту же категорию попадает определение положения пожарных участков, школ и других объектов. В общем, неземельные применения ГИС обычно включают социальные, экономические, транспортные и политические виды деятельности.

Связанные с землей виды деятельности определяют рамки для второго и, возможно наиболее часто используемого типа ГИС - земельных ИС (ЗИС). Наиболее часто такие системы основаны на владении, управлении и анализе участков земли, в основном, в интересах людей и, прежде всего с точки зрения землевладения. ЗИС далее делятся на те, что основаны на разбиении земной поверхности на участки собственности и те, которые такого разбиения не используют. Последние включают ИС по природным ресурсам, таким как те, которые используются национальными парками, лесными службами, агентствами по управлению землей и т.п.

Задачи, решаемые этими ЗИС, могут включать отчуждение земли для заповедников, наблюдение за живой природой, прогноз землетрясений и оползней, устранение последствий наводнений, оценка химического загрязнения, управление лесами и зонами обитания диких животных, научные исследования.

Применения ЗИС на основе разбиения на участки обычно сосредоточены вокруг землевладения и других кадастровых вопросов. Определяющим критерием является разбиение земли на межеванные участки с узаконенными атрибутами. Хотя эта терминология может применяться к таким землям, как государственные леса, все же обычно она подразумевает участки поменьше [National Academy of Science 1980, 1983]. Необходимой для таких приложений является геодезическая сеть, по которой возможно точное описание участков. Применения ЗИС включают традиционные геодезические методы, они находятся среди крупнейших пользователей Глобальной системы позиционирования (GPS) NAVSTAR для получения координатной информации. После создания точной геодезической основы и кадастровой системы возможны различные виды анализа изменений в землепользовании с гарантией высокой точности измерений. В числе таких работ находятся попытки установления непротиворечивого совместного использования земли среди выбранных участков земели, а также внедрение универсального многоцелевого кадастра.

Как в областях, связанных с землей, так и в областях, связанных с населением, имеются многие возможности применения геоинформационных технологий, имеющих огромный потенциал, как для простых, так и для сложных видов анализа. Однако, большинство из имеющихся приложений сложными не назовешь. По-видимому, это недоиспользование связано больше с незнанием имеющегося потенциала ГИС, нежели с ограничениями имеющегося программного обеспечения. Для того, чтобы задать программе задачу, нужно знать, что же это может быть за задача. И тогда уже мы сможем понять, способна ли программа эту задачу выполнить. Часто от сегодняшних пользователей ГИС можно услышать: "Ого! Я не знал, что мы можем делать такое на компьютере!" Это восклицание чем-то напоминает реакцию первопроходцев былых времен, отправившихся в джунгли с пробковым шлемом и мачете. Для новичка, только что познакомившегося с ГИС, путешествие в новые измерения географических открытий только началось.