Геоинформационные системы (ГИС)
ГИС используют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рацион
ГИС появились в 1960 гг при появлении технологий обработки информации в СУБД и визуализации графических данных в САПР, автоматизированного производства карт, управления сетями.
Назначение ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), такими как инвентаризация ресурсов, управление и планирование, поддержка принятия решений.
Этапы создания ГИС:
предпроектные исследования, в тч изучение требований пользователя и функциональные возможности используемого ПО,
технико-экономическое обоснование (ТЭО)
системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС;
тестирование ГИС на небольшом территориальном фрагменте или тестовом участке или создание опытного образца,
эксплуатация и обслуживание ГИС.
Источники данных для создания ГИС:
данные дистанционного зондирования (ДДЗ): в тч, получаемые с космических аппаратов и спутников материалы, Изображения получают и передают на Землю с носителей съемочной аппаратуры, размещенных на разных орбитах. Полученные снимки отличаются разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в нескольких диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон), что позволяет решать широкий спектр экологических задач. К методам дистанционного зондирования относятся также аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;
результаты геодезических измерений на местности, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками и др;
данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и пр).
литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов). В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.
Эффективное использование ГИС для решения разнообразных пространственно-локализованных задач требует от пользователя достаточного объема знаний о геодезических системах координат, картографических проекциях и других элементах математической основы карт ГИС, знаний о методах получения по карте различной информации, математических и других методов использования этой информации для решения пространственно-локализованных задач ГИС.
Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.
Данные, собираемые в геоинформатике, выделяют в особый класс данных, называемых геоданными.
Геоданные описывают объекты через их положение в пространстве непосредственно (например, координатами) или косвенно (например, связями).
В целом следует выделить следующие технологии сбора данных в геоинформатике:
воздушная съемка, которая включает аэросъемку, съемку с мининосителей;
глобальная система позиционирования (GPS);
космическая съемка, которая является одним из важнейших источников данных для ГИС при проведении природоресурсных исследований, экологического мониторинга, оценки сельскохозяйственных и лесных угодий и т. д.;
карты или картографическая информация, которая является основой построения цифровых моделей ГИС;
данные, поступающие через всемирную сеть Internet;
наземная фотограмметрическая съемка служит источником информации для ГИС при анализе городских ситуаций, экологического мониторинга за деформацией и осадками;
цифровая фотограмметрическая съемка основана на использовании цифровых фотограмметрических камер, которые позволяют выводить информацию в цифровом виде непосредственно на компьютер;
видеосъемка, как источник данных для ГИС, используется в основном для целей мониторинга;
документы, включая архивные таблицы и каталоги координат, служат основным источником данных для ввода в ГИС так называемой предметной или тематической информации, к которой относятся экономические, статистические, социологические и другие виды данных;
геодезические методы (автоматизированные и не автоматизированные) используются для уточнения координатных данных,
источником данных для ГИС являются также результаты обработки в других ГИС;
фотографии, рисунки, чертежи, схемы, видеоизображения и звуки;
статистические таблицы и текстовые описания, технические данные;
почтовые адреса, телефонные книги и справочники;
геодезические, экологические и любые другие сведения.
ГИС используют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, принятия оперативных мер в условиях ЧС и тд.
ГИС классифицируются по следующим признакам:
1. По функциональным возможностям:
полнофункциональные ГИС общего назначения;
специализированные ГИС, ориентированные на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;
информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования. Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:
2.По пространственному (территориальному) охвату ГИС подразделяются на глобальные (планетарные), общенациональные, региональные, локальные (в том числе муниципальные).
Структура ГИС включает комплекс технических средств (КТС) и программное обеспечение (ПО), информационное обеспечение (ИО).
Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях.
Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены с электронных геодезических приборов, с помощью дигитайзера или сканера, либо с использованием фотограмметрических приборов.
Базовое ПО включает операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, и модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.
Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.
Информация, представленная в виде отдельных слоев, и их совместный анализ в разных комбинациях позволяет получать дополнительную информацию в виде производных слоев с их картографическим отображением (в виде изолинейных карт, совмещенных карт различных показателей и тд).
ГИС-технология объединяет разрозненные данные в единый вид, что упрощает принятие управленческих решений информационного обеспечения на различных уровнях планирования и получать, анализировать и принимать решения в науке, управлении хозяйствовании.
Рынок ГИС, отличающихся по функциональным возможностям, требованиям к КТС, ПО и ИО, довольно развит.
GIS-LAB
Географические информационные системы и дистанционное зондирование
Краткое введение в ГИС. Часть 1: Введение в ГИС
| ГИС для преподавателей | Часть 1: Введение в ГИС | |
 | Цель: Понимание, что такое ГИС и для чего они используются. | |
Ключевые слова: ГИС, Компьютер, Карты, Данные, Информационные системы, Пространство, Анализ
Подобно тому, как мы пользуемся текстовым редактором для работы с наборами слов и подготовки документов, мы можем использовать ГИС-приложение для работы с наборами пространственной информации на компьютере. ГИС расшифровывается как «Географическая Информационная Система». Любая ГИС состоит из следующих взаимосвязанных компонентов:
С ГИС-приложением Вы можете открывать цифровые карты на своем компьютере, создавать новую пространственную информацию и добавлять ее на карту, подготавливать карты для печати, отвечающие Вашим потребностям, и выполнять пространственный анализ.
Ниже приведен простой пример использования ГИС. Представьте, что предприятие здравоохранения отметило место проживания и дату визита для каждого проходящего лечение пациента:
| Долгота | Широта | Болезнь | Дата |
| 26.870436 | -31.909519 | Грипп | 13/12/2008 |
| 26.868682 | -31.909259 | Грипп | 24/12/2008 |
| 26.867707 | -31.910494 | Грипп | 22/01/2009 |
| 26.854908 | -31.920759 | Корь | 11/01/2009 |
| 26.855817 | -31.921929 | Корь | 26/01/2009 |
| 26.852764 | -31.921929 | Корь | 10/02/2009 |
| 26.854778 | -31.925112 | Корь | 22/02/2009 |
| 26.869072 | -31.911988 | Грипп | 02/02/2009 |
| 26.863354 | -31.916406 | Ветряная оспа | 26/02/2009 |
Из таблицы видно, что случаи кори приходятся на январь и февраль. Местоположение дома каждого пациента отмечено в таблице в виде широты и долготы. Используя эти данные в ГИС-приложении, мы можем быстро узнать больше деталей о закономерностях распространения болезни:
Рисунок 1: Пример, показывающий записи о пациентах в ГИС-приложении. Легко увидеть, что пациенты, больные корью, живут близко друг от друга.
ГИС – это относительно новая область знаний, берущая свое начало в 1970-х годах. Раньше компьютеризированные системы были доступны только для крупных компаний и университетов, располагающих дорогостоящим оборудованием. Сегодня любой обладатель персонального компьютера или ноутбука может пользоваться ГИС-приложениями. Со временем ГИС-приложения также стали более простыми в использовании – раньше требовалось длительное обучение, а теперь любой человек может приступить к использованию ГИС для повседневных нужд. Как описано выше, ГИС – это больше, чем просто программное обеспечение, они охватывают все аспекты управления и использования цифровых геоданных. В предложенном руководстве мы будем говорить главным образом о ГИС-приложениях.
Что такое ГИС-приложение (программное обеспечение)?
Вы можете видеть пример того, как выглядит ГИС-приложение, выше на Рисунке 1. ГИС-приложения – это компьютерные программы с графическим пользовательским интерфейсом, управляемым мышью и клавиатурой. Приложение содержит главное меню в верхней части окна («Файл», «Редактирование» и др.), которое при нажатии мышью показывает соответствующие командные панели. Команды предоставляют возможность сообщить ГИС-приложению, что именно Вы хотите сделать. Например, Вы можете использовать меню для отправки команды на добавление нового слоя в список отображения.
Рисунок 2: Меню приложения, открываемое мышью, показывает набор опций, каждая из которых является выполняемой командой.
Панели инструментов (ряды небольших иконок с командами, которые могут быть запущены кликом мыши) обычно располагаются прямо под главным меню и предоставляют быстрый доступ к наиболее часто используемым функциям.
Рисунок 3: Панели инструментов обеспечивают быстрый доступ к часто используемым функциям. Наведение указателя на иконку обычно
вызывает всплывающую подсказку с описанием соответствующей функции.
Часто используемая функция ГИС-приложения – отображение картографических слоев. Картографические слои хранятся в виде файлов на диске или внутри базы данных. Обычно каждый картографический слой соответствует конкретным объектам реального мира, например слой дорог показывает дорожную сеть.
Когда Вы открываете слой в ГИС-приложении, он появляется в области карты.
Область карты показывает графическое представление Вашего слоя. Когда Вы добавляете более одного слоя на карту, слои накладываются друг на друга. Рисунки 4-7 показывают карту, имеющую несколько добавленных слоев. Важная функция карты – навигация, включающая увеличение, уменьшение и передвигание карты.
 Рисунок 4: Слой городов, добавленный на карту. |  Рисунок 5: Слой школ, добавленный на карту. |
 Рисунок 6: Слой железных дорог, добавленный на карту. |  Рисунок 7: Слой рек, добавленный на карту. |
В отличие от бумажных карт, карты, открытые в ГИС-приложениях, могут быть изменены после их создания. Вы можете менять форму и цвет условных обозначений картографических слоев. Например, если мы возьмем карту из Рисунка 7 и изменим ее условные обозначения, это полностью поменяет ее внешний вид, как показано на Рисунке 8. Условные обозначения играют важную роль в том, как мы читаем карты, и они быстро и просто меняются в ГИС-приложении.
Рисунок 8: В ГИС-приложении легко можно изменять символику – способ отображения данных на карте.
Другая распространенная функция ГИС-приложений – это легенда карты. Легенда карты содержит список картографических слоев, загруженных в ГИС-приложение. В отличие от легенды бумажной карты, легенда в ГИС-приложении предоставляет возможность менять порядок слоев, скрывать их и создавать группы слоев. Перетаскивания слои мышью, можно изменить порядок их прорисовки на электронной карте. На Рисунках 9 и 10 легенда карты показана в левой части окна ГИС-приложения. После изменения порядка слоев реки отображаются поверх дорог, а не наоборот.
 | ||
| Рисунок 9: Перед изменением порядка слоев реки перекрываются дорогами. | Рисунок 10: После изменения порядка слоев реки отображаются поверх дорог. | |
Установка ГИС-приложения на Ваш компьютер:
Существует множество ГИС-приложений. Некоторые включают продвинутые узко специализированные инструменты и стоят десятки тысяч долларов за каждую лицензию. В то же время, существует ряд бесплатных ГИС-приложений. Выбор приложения зависит от того, какими финансами Вы располагаете, и от Ваших личных предпочтений. В контексте данного руководства используется приложение Quantum GIS, также известное как QGIS. Программа Quantum GIS абсолютно бесплатна, Вы можете копировать ее и предоставлять стольким людям, скольким пожелаете. Если Вы получили это руководство в печатной форме, к нему должна прилагаться копия QGIS. В ином случае, Вы можете посетить Интернет-страницу http://qgis.org и загрузить бесплатную копию.
Теперь мы знаем, что такое ГИС и ГИС-приложения, поговорим о геоданных. Данные – это определенная информация. Информация, которую мы используем в ГИС, обычно имеет географическую (пространственную) привязку. Вспомните вышеупомянутый пример данных предприятия здравоохранения. Для хранения записей о пациентах создана таблица следующего вида:
| Долгота | Широта | Болезнь | Дата |
| 26.870436 | -31.909519 | Грипп | 13/12/2008 |
Колонки долготы и широты содержат географические (пространственные) данные. Название болезни и дата являются непространственными данными. Распространенная функция ГИС – установление связи между первыми и вторыми. В сущности, ГИС-приложение может хранить множество сведений о каждом местоположении, в отличие от бумажной карты, возможности которой ограничены. Например, в рассматриваемую таблицу можно без труда вносить также пол и возраст пациентов. Добавив слой местоположений пациентов в ГИС-приложение, Вы можете задать его отображение так, что оно будет основано на возрасте или типе болезни, или на другом свойстве пациента по Вашему желанию, в то время как бумажная карта будет показывать только одно свойство. Таким образом, с ГИС-приложением мы можем изменить внешний вид своей карты, основываясь на непространственной информации, сопутствующей конкретным местоположениям.
ГИС-системы работают с многочисленными типами данных. Векторные данные хранятся в памяти компьютера в виде последовательностей координатных пар (X,Y). Векторные данные используются для представления точек, линий и областей (полигонов). На рисунке 11 показаны различные типы векторных данных, открытые в ГИС-приложении. Векторные данные будут более подробно рассмотрены в последующем содержании данного руководства.
Рисунок 11: Векторные данные используются для представления точек (города), линий (реки) и полигонов (границы районов).
Растровые данные хранятся в виде сетки значений. Многочисленные спутники пролетают по околоземным орбитам, и создаваемые ими фотографии являются растровыми изображениями, которые можно просматривать в ГИС-приложении. Одно из основных видимых отличий растровых данных от векторных состоит в том, что когда Вы приближаете растровое изображение слишком близко, оно состоит из квадратов (см. Рисунки 12 и 13). Каждый из этих квадратов – отдельная клетка в сетке данных, составляющей растровое изображение. Растровые данные будут более подробно рассмотрены в последующем содержании данного руководства.
 | ||
| Рисунок 12: Спутниковый снимок – типичный пример растровых данных. На этом снимке изображены горы. | Рисунок 13: Те же самые данные, но на этот раз в большем приближении. Видна сеточная структура изображения. | |
Закрепим изученный материал:
Ниже приведено несколько примеров практических заданий для Ваших учеников:
Если у Вас нет компьютера:
Многие темы, затрагиваемые в данном руководстве, можно наглядно показать с помощью проекционного аппарата и прозрачной пленки, т.к. они изображают похожее наложение слоев с информацией. Тем не менее, правильное понимание ГИС всегда достигается лучше с использованием компьютера.
Книга: Desktop GIS: Mapping the Planet with Open Source Tools. Gary Sherman. ISBN: 9781934356067
Руководство Пользователя QGIS также содержит более полную информацию о работе с QGIS.
В следующих разделах мы более подробно покажем, как пользоваться ГИС-приложением. Все руководство основано на приложении QGIS. Давайте рассмотрим векторные данные.
Последнее обновление: 2014-05-14 23:47
Дата создания: 09.08.2013
Автор(ы): Алексей Еськов