Геоинформационные системы в развитии современного общества

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Балтийский государственный технический университет

им. Д.Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Геоинформационные системы и технологии»

Тема:

«Геоинформационные системы в развитии современного общества»

Выполнил: З.А.Гузев

Группа: И-601

Проверил: А.И.Трубецкой

Санкт-Петербург

2015

Содержание

Введение

1.1 Понятие геоинформационной системы (ГИС)

1.2 Этапы развития ГИС

2. Обзор базовых концепций ГИС

2.1 Основные направления и использование ГИС в современном обществе. Базовые концепции ГИС

2.2 Геоинформационные структуры и модели данных

2.3 Классификация и функциональные подсистемы ГИС

3.Области применения геоинформационных систем и технологий

3.1 Уровень развития современных ГИС - технологий в России

3.2 ГИС в земельном кадастре

3.3 ГИС в сельском хозяйстве

3.4 Геотехнологии в управлении территориальным развитием

Заключение

Список использованных источников

Введение

Объем информации, существующий в современном мире, не может сравниться с тем, который был получен в прошлых веках. Темпы жизни стремительно растут, методы получения информации приобретают все более индустриальный характер. Для организованного хранения, поиска нужной информации, ее обработки и анализа требуются современные, основанные на компьютерных технологиях, средствах. C каждым годом информационные потребности человека затрагивают все новые сферы его деятельности. Практически во всех современных отраслях знаний накоплен богатый опыт использования информации, получаемой из многочисленных источников. Все вышеизложенное определило актуальность курсовой работы.

Объектом исследования в курсовой работе являются геоинформационные системы.

Предметом является уровень развития современных ГИС в обществе.

Цель данной курсовой работы состоит в том, чтобы раскрыть сущность и принципы работы ГИС, на примере показать как они используются в современном обществе и в каких сферах. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

сформировать представление о ГИС;

выявить этапы развития ГИС;

провести анализ уровня использования геоинформационных систем в современных географических исследованиях.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

метод ГИС-анализа;

литературного анализа;

картографический.

1. История развития геоинформационных систем

1.1 Понятие геоинформационной системы (ГИС)

Понятие географической информационной системы заимствовано из английского языка и является дословным переводом термина geographic information system. Этот термин появился в русскоязычной литературе в середине семидесятых годов, и уже на ранней стадии заимствования он получил более краткую форму геоинформационная система.

ГИС представляет собой 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 окружающей средой и территориальной организацией общества [11].

Как известно ГИС тесно связаны с картографией [рис. 1].

Их взаимосвязь проявляется в следующих аспектах:

тематические и топографические карты - главный источник пространственно-временной информации;

системы географических и прямоугольных координат и картографическая разграфка служат основой для координатной привязки всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС;

карты - основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации;

картографический анализ - один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС;

математико-картографическое и ЭВМ-картографическое моделирование - главное средство преобразования информации в процессе обеспечения принятия решений, управления, проведения экспертиз, составления прогнозов развития геосистем и т.п.;

картографическое изображение - целесообразная форма представления информации потребителям, а автоматическое изготовление оперативных и базовых карт, трехмерных картографических моделей, дисплей-фильмов - одна из главных функций ГИС.

Рис. 1. Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями [2]

В наиболее общем смысле, геоинформационные системы это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности, которые используются для ее управления. 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. В этом аспекте Майкл ДеМерс приводит характерный пример синонимичных к «ГИС» понятий [табл. 1].

Таблица 1. Примеры синонимичных к "ГИС" понятиям и их источники. [4]

Термин	Источник
Географическая информационная система (Geographic Information System)	Американская терминология
Географическая информационная система (Geographical Information System)	Европейская терминология
Геоинформатика (Geoinformatics)	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 наук о Земле (Geoscience or Geological Information System)	Дисциплинарная терминология
Пространственно информационная система (Spatial Information System)	Негеографический термин
Система анализа пространственных данных (Spatial Data Analysis System)	Терминология на основе функций системы

Исходя из выше изложенного, ГИС можно рассматривать с различных позиций. К примеру с научной точки зрения ГИС - метод моделирования и познания природных и социально-экономических систем. ГИС - это система, применяемая для исследования природных, общественных и природно-общественных объектов и явлений, которые изучают науки о Земле и смежные с ними социально-экономические науки.

В технологическом аспекте ГИС средство сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координационной географической информации. Таким образом, ГИС можно рассматривать как систему технологических средств, программного обеспечения и процедур, предназначенную для сбора пространственных данных, их анализа, моделирования и отображения в целях решения комплекса задач по планированию и управлению. С производственной точки зрения ГИС - комплекс аппаратных устройств и программных продуктов, предназначенных для обеспечения управления и принятия решений, причем важнейший элемент этого комплекса - автоматические картографические системы. ГИС использует географические данные, а также непространственные данные и располагает операционными возможностями, необходимыми для пространственного их анализа. Назначение ГИС - обеспечение процесса принятия решений по оптимальному управлению ресурсами, организации функционирования транспорта и розничной торговли, использование объектов недвижности, водных, лесных и других пространственных ресурсов.

Таким образом, ГИС можно одновременно рассматривать как метод научного исследования, технологию и продукт ГИС-индустрии [14].

1.2 Этапы развития ГИС

Возникновение и бурное развитие ГИС было предопределено богатейшим опытом топографического и, особенно, тематического картографирования, успешными попытками автоматизировать картосоставительский процесс, а также революционным достижениями в области компьютерных технологий, информатики и компьютерной графики. В истории развития геоинформационных систем можно выделить четыре периода [табл. 2].

Таблица 2. Периоды развития геоинформационных систем. [14]

Начальный период (поздние 1950 - ранние 1970)	Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы по ГИС.
Период государственных инициатив (ранние 1970 - ранние 1980)	Поддержка государством и формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп.
Период коммерческого развития (ранние 1980 - настоящее время)	Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных.
Пользовательский период (поздние 1980 - настоящее время)	Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и "открытость" программных средств позволяет использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских "клубов", телеконференций, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

Первый период развивался на фоне успехов компьютерных технологий: появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах, цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х при одновременном, часто независимом друг от друга, создании программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров, формальных методов пространственного анализа, программных средств управления базами данных.

Большое влияние в этот период оказывают теоретические работы в области географии и пространственных взаимосвязей, а также становление количественных методов в географии в США, Канаде, Англии, Швеции.

Первый безусловный крупный успех становления геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады. Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается, развивается и по сей день. Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета, и в получении статистических данных о земле, которые бы использовались при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно сельскохозяйственного назначения. Для этих целей требовалось создать классификацию использования земель, используя данные по сельскохозяйственной, рекреационной, экологической, лесохозяйственной пригодности земель, отразить сложившуюся структуру использования земель, включая землепользователей и землевладельцев. Наиболее узким местом проекта являлось обеспечение эффективного ввода исходных картографических и тематических данных. Для этого разработчикам ГИС Канады, не имевшим опыта по внутренней организации больших массивов пространственных данных, потребовалось создать новую технологию, ранее нигде не применявшуюся, позволяющую оперировать отдельными слоями и делать картометрические измерения. Для ввода крупноформатных земельных планов было даже спроектировано и создано специальное сканирующее устройство [14].

Создатели ГИС Канады внесли в становление и развитие ГИС-технологий следующее:

использование сканирования для автоматизации процесса ввода геоданных;

расчленение картографической информации на тематические слои и разработка концептуального решения о "таблицах атрибутивных данных", что позволило разделить файлы плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и файлы, содержащие тематическую (содержательную) информацию об этих объектах;

функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей.

Большое воздействие на развитие ГИС оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа Массачусетского технологического института. Ее основал в середине 60-х годов с целью разработки программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС и оставались ими вплоть до начала 80-х годов. В настоящее время эти исследования продолжаются, но в меньших масштабах.

Программное обеспечение Гарвардской лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package. Благодаря работам Гарвардской лаборатории в области компьютерного картографирования была окончательно закреплена ведущая роль, которую играют картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах.

В конце 60х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования ГИС - технологий для обработки и представления данных Национальных Переписей Населения.

Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой стала необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствовавших в анкетах переписи, в географические координаты таким образом, чтобы результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи. Был разработан специальный формат представления картографических данных DIME, для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты. Таким образом, в этой разработке впервые был широко использован топологический подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами.

Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали также развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям:

автоматизированные системы навигации;

системы вывоза городских отходов и мусора;

движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т.д..

Одновременно на основе этой информации была создана серия атласов крупных городов, содержащих результаты переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и т.д..

Пользовательский период поздние 1980 - настоящее время. Этот период пример нового отношения к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами для задач планирования природопользования и землеустройства. Они открыли GRASS для бесплатного пользования, включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрируя GRASS с другими программными продуктами. Насыщение рынка программных средств для ГИС, в особенности, предназначенных для персональных компьютеров резко увеличило область применения ГИС-технологий.

Это потребовало существенных наборов цифровых геоданных, а также необходимости формирования системы профессиональной подготовки и обучения специалистов по ГИС [9].

Современному обществу без ГИС-технологий не обойтись. Без них невозможно построение экономики и ведение современного хозяйства. Тенденции в мире таковы, что необходима возможность во времени управлять огромной базой пространственных данных, а для этого необходимы ГИС. До недавнего времени эту задачу было сложно решить, т.к. был малый банк данных, ограничивался доступ получения пространственных данных о земле (космоснимки). Но в последние несколько лет ситуация изменилась в лучшую сторону и с появлением новых технологий, ГИС поднимаются на ступень выше. Это позволяет внедрять ГИС в новые сферы жизнедеятельности общества.

2. Обзор базовых концепций ГИС

2.1. Основные направления и использование ГИС в современном обществе. Базовые концепции ГИС

Пространственный объект может быть определен как цифровое представление объекта реальности, иначе цифровая модель объекта местности, содержащая его координаты и набор свойств, характеристик, атрибутов, или сам этот объект. Термин «картографический объект» встречается и в англоязычной литературе по цифровой картографии и ГИС: картографируемый объект местам (Cartographic entity (real world)), его цифровое представление (Cartographic object (digital storage)) и обобщающего понятия картографических объектов (Cartographic feature), которое применимо и к объектам реальности, и к их цифровым представлениям, описаниям, моделям.

Объект - представление в цифровом виде всей и части сущности ее характеристиками (атрибутами), геометрией и (возможно) связями с другими

предметами (например, описание в цифровом виде участка дороги, включая категорию дороги, ширину проезжей части, его геометрическое положение также связь с мостом, если такая существует).

Картографический объект - графический объект, необходимый для обеспечения определенных требований представления информации. Атрибуты картографического объекта (если они необходимы) обеспечивают дополнительные указания по воспроизведению. Примеры картографических объектов: стрелка направления течения [10].

Пространственный объект - как цифровая модель объекта так и сам объект «реальности», или «местности». Распространен синоним термина «пространственный объект» - географический объект, или «геообъект».

Представление пространственных объектов реальной действительности основано на следующих допущениях:

пространственные данные состоят из цифровых представлений реально существующих дискретных пространственных объектов;

свойства, показанные на карте, например, озера, здания, контуры должны пониматься как дискретные объекты;

содержание карты может быть зафиксировано в базе данных путем превращения свойств карты в пространственные объекты;

многие свойства, которые показаны на карте, на самом деле виртуальны. Например, контуры или границы реально не существуют, но здания и озера - реальные объекты.

Множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Пространственные данные состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной и непозиционной составляющей данных, иначе говоря, описания пространственного положения и тематического содержания данных. При этом выделяются соответственно тополого-геометрические и атрибутивные данные. В самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную. В настоящее время сформировалось два различных подхода к определению понятия «пространственные данные» [2]. В первом случае под пространственными данными понимаются цифровые данные об объектах реальности (местности, территории, акватории и т.п.), которыми оперируют при создании геоинформационной системы. Во втором случае термин «пространственные данные» понимается в более широком смысле слова, включая в себя не только данные в первом значении, но все «пространственно-координированные данные» (цифровые изображения, цифровые карты, каталоги координат пунктов опорной геодезической сети и т.п.). Термин «пространственные данные» имеет несколько синонимов, употребляемых в обоих значениях. Первый из них (по частоте употребления)- «географические данные» - может претендовать на роль стандартизованного, наряду с «пространственными данными». К менее распространенным относятся геоданные, геоинформационные данные и геопространственные данные, имеющие свою концептуальную схему в организации [рис. 2].

Рис. 2. Концептуальная схема организации данных в ГИС [15]

Перечень элементарных пространственных объектов (основные метрические и тополого-геометрические примитивы), которыми оперируют современные ГИС, выглядит следующим образом:

Точка син. точечный объект;

Линия син. линейный объект;

Полигон син. полигональный объект, многоугольник, контурный объект, область;

Поверхность син. Рельеф;

Тело;

Пиксел син. пиксель, пэл;

Ячейка (регулярной сети).

Выбор способа организации данных в ГИС, и, в первую очередь, модели

данных, т.е. способы цифрового описания пространственных объектов, значительно важнее, чем выбор программного продукта, поскольку напрямую определяет функциональные возможности создаваемой ГИС и применимость или иных технологий ввода информации.

От типа модели данных зависит как пространственная точность представления графической части информации, так и возможность получения качественного картографического материала и организации контроля карт. Для облегчения работы и получения наиболее удачного варианта проекта карты, применяется выборка, определяющаяся темой [рис. 3].

Рис. 3. Пространственная выборка (уточнение территории) [2]

Содержание базы пространственных данных включает:

1) цифровые версии реально существующих объектов (например, зданий);

2) цифровые версии искусственно выделенных свойств карты (например, контуры);

3) искусственные объекты, созданные специально для целей построения базы данных (например, пиксели).

Разновидность непрерывных свойств:

1) некоторые свойства пространственных объектов существуют повсеместно, изменяются непрерывно над земной поверхностью (высота, температура, атмосферное давление) и не имеют реально представленных границ.

Компоненты пространственных данных:

расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении;

пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними;

атрибуты: атрибуты фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов;

время: временная изменчивость фиксируется разными способами:

1) интервалом времени, в течение которого существует объект;

2) скоростью изменчивости объектов;

3) временем получения значений свойств.

2.2 Геоинформационные структуры и модели данных

Для визуализации геоинформационной структуры используют растровые и. векторные модели данных [рис. 4].

Рис. 4. Растровая и векторная модели пространственных данных [2]

В растровых моделях данных, в отличие от векторных, нет объектов как обособленных сущностей, в них объекты понимаются как области однородных характеристик. Растровые данные всегда обладают собственной системой координат: каждый пиксел адресуется номером ряда и столбца, на пересечении которых он расположен. Для всякого растрового изображения известны его размеры по горизонтали и вертикали. При использовании растра в качестве подложки для векторных цифровых карт производится так называемое трансформирование растра, обеспечивающее совмещение обоих изображений. При трансформировании выполняется преобразование координат пикселов из пиксельной системы координат в систему координат карты.

Векторные модели данных. Модель данных имеет в основе так называемую линейно-узловую топологию, или структуру узлов и дуг. Дуги являются основным (базовым) типом линейных объектов, узлы - это специальный тип точечных объектов, существующий совместно с дугами. В основе линейно-узловой структуры [рис. 5] лежит принцип последовательного конструирования линейных объектов из точечных и площадных из линейных. Так, два несовпадающих узла определяют начальную и конечную точки одного линейного объекта (дуги), при этом они могут также соединяться с одной или несколькими другими дугами.

Рис. 5. Пространственные объекты линейного типа [9]

Узел - это либо свободное окончание или начало каждой дуги,

или точка пересечения дуг.

Дуга - это самостоятельный линейный объект, состоящий, как

минимум, из двух узлов - начального и конечного.

Топология - одна из ключевых концепций ГИС. Это пространственные взаимоотношения межу смежными и близлежащими объектами. Топология отражается в структуре данных. Топологические структуры более предпочтительны [pис. 6].

Типы топологий:

1. Линейно-узловые топологические отношения;

2. Объектные топологии:

внутриобъектные топологические отношения;

Межобъектные топологические отношения;

Узловые топологические отношения;

Межобъектные топологические отношения в пределах одного слоя;

Межслойные топологические отношения между объектами.

3. Топологические межобъектные ресурсные связи;

4. Концептуальные топологические отношения (отношения между

классами объектов, или логические связи).

Рис. 6. Топологическое представление векторных объектов [14]

Рассмотрим преимущества растровой и векторной моделей.

Растровая модель:

картографические проекции просты и точны, т.е. любой объектнеправильной формы описывается с точностью до одной ячейки растра;

непосредственное соединение в одну картину снимков дистанционного зондирования (спутниковые изображения или отсканированные аэрофотоснимки);

поддерживает большое разнообразие комплексных пространственных исследований;

программное обеспечение для растровых ГИС легче освоить и оно более дешевое, чем для векторных ГИС.

Векторная модель:

Хорошее визуальное представление географических ландшафтов.

Топология местности может быть детально описана, включая телекоммуникации, линии электропередач, газо- и нефте- трубопроводы.

Превосходная графика, методы которой детально моделируют реальные объекты.

Отсутствие растеризации (зернистости) графических объектов при

масштабировании зоны просмотра [рис. 7].

геоинформационный пространственный данные векторный

Рис. 7. Сопоставление растровой и векторной моделей данных [14]

Выделим преимущества растровой и векторной моделей данных.

Растровая модель:

1) простая структура данных;

2) эффективные оверлейные операции;

3) работа со сложными структурами;

4) работа со снимками.

Векторная модель:

1) компактная структура;

2) топология;

3) качественная графика.

2.3 Классификация и функциональные подсистемы ГИС

ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций и др. Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям:

полнофункциональные ГИС общего назначения;

специализированные ГИС ориентированы 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:

закрытые системы - не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки;

открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату:

глобальные (планетарные) (global GIS);

субконтинетальные;

общенациональные;

региональные (regional GIS);

субрегиональные;

локальные (local GIS);

в том числе муниципальные (urban GIS) [11].

По проблемно-тематической ориентации:

общегеографические;

экологические и природопользовательские;

отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.) [2].

По типу представления географической информации:

ГИС на основе растровой модели представления данных. В таких ГИС цифровое представление географических объектов формируется в виде совокупности ячеек растра (пикселей) с присвоенным им значением класса объекта;

ГИС на основе векторной модели представления данных. В этом случае цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов осуществляется в виде набора координатных чисел.

Различают еще такие геоинформационные системы как:

интегрированные ГИС (ИГИС) (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде;

полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation) обеспечивая графическое, или картографическое воспроизведение данных любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением;

пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными [11].

ГИС представляет собой набор следующих подсистем:

подсистема сбора данных, которая собирает и проводит

предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразования различных типов пространственных данных;

подсистема хранения и выборки данных, организующая

пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования;

подсистема манипуляции данными и анализа- это сердце ГИС, то, ради чего ГИС существует.

Общие задачи анализа:

1. Картирование местоположения объектов и явлений.

2. Картирование по величине.

3. Картирование плотности.

4. Поиск объектов, попадающих внутрь других объектов.

5. Поиск объектов, находящихся на расстоянии от других объектов.

подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме. Благодаря работе и функционированию этих подсистем мы получаем значительный перевес, в картографическом процессе, в сторону ГИС, относительно традиционных бумажных карт [табл. 3].

Таблица 3. Сравнение ГИС и традиционных карт.

Карта	ГИС
Процесс картографирования
Сбор данных: аэрофотоснимки, геодезические работы и др. Обработка данных: агрегирование, классификация и т.д.; линейный процесс Производство карты: конечная стадия (без распространения) Тиражирование карты	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
Функции подсистемы ввода
Ввод: запись (компиляция) на бумаге - точки - линии - области Источники: - аэрофотосъемка - цифровое ДЗЗ - геодезические работы - словесные описания и зарисовки - статистические данные и др.	Ввод: запись 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
Карта	ГИС
Процесс картографирования
Функции подсистемы хранения и выборки
Точки, линии и области рисуются на бумаге с помощью символов Выборка - это просто чтение карты	Точки, линии и области хранятся как растры или координаты и идентификаторы в компьютере Таблицы атрибутов связаны с координатами Выборка требует эффективных методов компьютерного поиска
Функции подсистемы анализа
Требуются линейка, планиметр, транспортир и другие инструменты, используемые человеком- аналитиком Возможности ограничены данными, сгруппированными и представленными на бумажной карте	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
Функции подсистемы вывода
Только графическое представление Многие формы карт Модификации могут включать картограммы и др. Включают также таблицы, графики, диаграммы, фотографии и др.	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.

Основное направление использования ГИС это - жизнедеятельность. ГИС работает с пространственными объектами и данными, это позволяет осуществлять множество операций по выявлению закономерностей, проводить анализ, учет, прогноз, и непосредственно графически отображать результаты обработки. Таким образом геоинформационные системы являются системой способствующей решению управленческих и экономических задач на основе средств и методов информатизации, т.е. способствующей процессу информатизации общества в интересах прогресса.

3.Области применения геоинформационных систем и технологий

ГИС позволяют точнейшим образом учитывать координаты объектов и площади участков, вести учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка. Все это в свою очередь дает возможность широко применять ГИС в многообразных сферах и направлениях территориальной деятельности:

в кадастрах (земельном, водном, лесном, недвижимости и т.д.);

в градостроении и муниципальном управлении;

в проектировании, строительстве, эксплуатации объектов;

в геологических исследованиях;

в разработке и эксплуатации различных месторождений;

в сельском, лесном и водном хозяйстве;

в изучении и прогнозе погоды;

в здравоохранении;

в природопользовании и при экологическом мониторинге;

в торговле и маркетинге;

в бизнесе, управлении финансами и банковском деле;

в планировании и прогнозировании;

в обороне, безопасности и при чрезвычайных ситуациях;

в политике и управлении государством;

в науке и образовании и т.д.

Этим перечнем не исчерпывается весь круг направлений деятельности, со своими задачами и вопросами, которые испытывают устойчивый интерес к ГИС и геоинформационным технологиям. В следующих разделах приведены примеры использования ГИС-технологий в территориальной деятельности человека.

3.1 Уровень развития современных ГИС - технологий в России

В последнее десятилетие в мире активно развиваются технологии географических информационных систем, обеспечивающие автоматизированный пространственно-временной анализ геоданных в самых разных отраслях человеческой деятельности. Возникла «индустрия» географической информации (унификация и интеграция способов получения, обработки, представления и хранения геоданных на базе ГИС-технологии). Развитие ГИС сформировало целостную предметно - деятельностную область, включающую потребителей, производителей программного обеспечения и геопространственных данных, блок подготовки ГИС-специалистов, а также систему коммуникаций, обеспечивающих связь между ними (конференции, специализированные издания, профессиональные объединения и др.).

Одним из самых первых успешных решений в построение корпоративных клиент-серверных ГИС можно считать Правительственную информационно-аналитическая систему России по чрезвычайным ситуациям (ПИАС ЧС), разработка которой была начата в 1997 году в рамках специальной правительственной программы [5]. В коллектив основных разработчиков этой системы входят такие ведущие ГИС-центры, как Центр «ГИС-Аналитик», Межведомственный центр электронной картографии, СПАЭРО + и ЗАО «ECOMM». В процессе выполнения этой работы, экспертами сделано сразу несколько существенных шагов в сторону интеграции в мировое информационное пространство. Главный из которых - создание единой информационной среды для обмена данными и геоданными как между внутренними подсистемами ПИАС ЧС, так и между функциональными подсистемами избранных пока министерств и ведомств на платформе технологии Arc GIS Server.

Гис коммуникации в России.

Система информационных и организационных коммуникаций включает подготовку ГИС-специалистов, проведение конференций и семинаров, ведение издательской деятельности, а также наличие профессиональных объединений. Среди специализированных научных учреждений Украины выделяется НИИ геодезии и картографии, выступавший инициатором и головным разработчиком проекта по созданию национальной инфраструктуры пространственных данных.[5] Интересным представляется реализованный НИИГК совместно с фирмой «КИГЛИ» WEB-проект «Российская картографическая сеть», по своей структуре и возможностям вполне претендующий на роль национального картографического WEB-ресурса. Среди некоммерческих сайтов, посвященных ГИС-проблематике можно отметить информационный русскоязычный ресурс Geomedia.com., созданный и поддерживаемый геоинформационным департаментом компании «Арт-мастер». Первое негосударственное национальное объединение ГИС-специалистов - «ГИС-Ассоциация России» было создано в 1996 году [5].

За этот период ГИС-Ассоциацией было организовано 9 национальных ГИС-форумов, реализован ряд информационных проектов. Однако, пока по размаху и возможности влияния на процесс развития ГИС на общенациональном уровне мы пока уступаем своим соседям из России. Хотя, в России в 2008 году уже появился первый специализированный журнал - «Геопрофиль» [15], инициирующий широкое обсуждение проблем развития ГИС на национальном уровне. Среди общенациональных мероприятий стабильность демонстрирует Ялтинская конференция пользователей программных продуктов ESRI в России «Геоинформационные технологии в управлении территориальным развитием», прошедшая 24 мая 2010 года в 14-й раз.

Перечисленные выше разработки показывают, что в России существуют ГИС-разработчики, готовые реализовать IT-проекты на уровне самых высоких требований и с использованием самого современного инструментария. Почему же общий уровень ГИС реализаций преимущественно остается на уровне отображения, заметно отставая от европейских коллег практически по всем показателям? Основными причинами является отсутствие рынка геоданных и услуг, и недостаток комплексных тиражируемых решений и т.д..

Руководство и ведущие эксперты государственных и частных компаний пока еще не связывают ни рост эффективности основного производства, ни получение личных доходов с внедрением геоинформационных технологий. Именно поэтому предложения разработки высокотехнологичных информационно-аналитических систем на платформе ГИС, поступающие в различные отрасли народного хозяйства от ведущих ГИС-центров, наталкиваются в лучшем случае на искреннее восхищение и заверения в непременном сотрудничестве как-нибудь потом. Дефицит разработчиков, способных разрабатывать и интегрировать в информационные и геоинформационные технологии самого высокого уровня для комплексного решения проблем корпоративных клиентов. Практическое отсутствие действующих стандартов инфраструктуры пространственных данных еще более ухудшает ситуацию, поскольку низкий уровень личных знаний и опыта разработчиков не поддержан нормативными и методическими наработками в данной области, реализованными в виде проблемно ориентированных информационных моделей[5].

Для выхода из сложившейся ситуации необходимо каждому разработчику самостоятельно адаптировать модели данных лучших мировых производителей, рекомендованные для данной области, чем большинство передовых компаний России сегодня и заняты.

3.2 ГИС в земельном кадастре

Для управления рынком земли, повышения эффективности использования земельных ресурсов, отслеживания динамики количественных и качественных изменений земельного фонда, в России создается автоматизированная система земельного кадастра. Основой её создания является цифровая информация об индексно-кадастровом зонировании территории. В 2008 году по заказу Республиканского комитета АР Крым по земельным ресурсам Объединение «Технохимкомплект» выполнило работы по созданию векторной индексно-кадастровой карты. [12]

Суть работы заключалась в следующем:

определение координат границ кадастровых зон и кварталов в единой системе координат 1963 года;

представление их в формате обменных файлов IN4;

определение площадей кадастровых единиц;

согласование их границ между собой и с границами административно-территориальных единиц;

составление альбомов индексно-кадастровых карт

обеспечение территориальных органов земельных ресурсов обновленными материалами по индексно-кадастровому зонированию.

Работа предназначалась для автоматизации присвоений кадастровых номеров земельным участкам, обеспечения уникальности присвоенных кадастровых номеров. Важной составной частью автоматизированной системы ведения государственного земельного кадастра, способной объединить несколько информационных баз, является система уникальной идентификации земельных участков - индексная кадастровая карта (ИКК). В основе ИКК лежит индивидуальный кадастровый номер, который содержит пространственную информацию о земельном участке. Индексно-кадастровая карта должна отображать границы кадастровых районов, зон, кварталов и участков, а также их кадастровую нумерацию. Кадастровое зонирование основывается на административно-территориальном делении - границах административных районов и советов, границах населенных пунктов [табл. 4].

Таблица 4. Сведение о распределении населенных пунктов по административно- территориальным единицам Автономной Республики Крым.

Кадастровая зона - это совокупность кадастровых кварталов, которые находятся за пределами населенных пунктов на территории совета, или объединении кадастровых кварталов в населенных пунктах.

Кадастровый квартал - это компактное объединение земельных участков в населенном пункте, которое ограничено инженерными сооружениями или природными границами [12].

Земельный участок - это часть земной поверхности с установленными границами, определенным местом расположения, с определенными относительно него правами. Границы кадастровых единиц должны быть топологически согласованными, то есть границы между смежными объектами должны проходить по одним и тем же точкам, не должны иметь разрывов и пересечений [16].

Работы по индексно-кадастровому зонированию в Автономной Республике Крым проводились органами земельных ресурсов начиная с 2002 года.

Разработанные схемы индексно-кадастрового зонирования в большинстве случаев представляли собой схемы формата А4 [рис. 8а.] в разрезе сельских и поселковых советов на которые был нанесен контур совета, условные границы населенных пунктов, границы кадастровых зон и номера кадастровых единиц.

Рис. 8а. Пример исходной индексно-кадастровой схемы [16]

Рис. 8б. Пример исходной индексно-кадастровой схемы на схеме землепользования [16]

Информация на большинство наносилась вручную и схематично, путем перерисовывания ситуации со схем землепользования. Отсутствовал единый подход к кадастровому зонированию. Деление на кадастровые кварталы за пределами населенных пунктов в сельских районах не осуществлялось. В границах городских и поселковых советов, и населенных пунктов, деление на кадастровые кварталы производилось на основании экономико-планировочных зон, определяемых при проведении нормативной денежной оценки земель населенных пунктов [13].

Некоторые индексно-кадастровые схемы были нанесены непосредственно на схемы землепользования, на которые уже была нанесена иная землеустроительная информация, [рис. 86]. В разрезе районов были представлены схемы административно-территориального деления до сельских советов с указанием кодов КОАТУУ [табл. 5]

Таблица 5. Сведение о распределении кадастровых единиц по административно-территориальным единицам Автономной Республики Крым.



Подобного рода планы должны стать картографической и информационной основой ведения районными и городскими органами Госкомзема дежурных кадастровых карт, использоваться для присвоения кадастровых номеров земельным участкам, а также для совершенствования ведения количественного и качественного учета земель. В дальнейшем для более продуктивного управления земельными ресурсами ИКК могут быть объединены с картами почв, мелиорации, денежной оценки, экологическими материалами. [16]

3.3 ГИС в сельском хозяйстве

Сельское хозяйство является одной из важнейших отраслей экономики России. Агропромышленная политика государства сегодня должна быть направлена на то, чтобы сделать эту отрасль высокоэффективной и высокорентабельной, а также ориентированной на экспорт российской сельскохозяйственной продукции. Сельскохозяйственная информация является пространственной по своей сути, поэтому наиболее эффективным инструментом для организации, анализа и управления такой информацией являются географические информационные системы (ГИС). Проблема состоит в использовании в качестве оперативного источника географической информации для таких систем служат материалы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) - аэро- или спутниковых снимков, так как более чем 20-летний мировой опыт убедительно подтверждает, что съемки из космоса позволяют существенно усовершенствовать методы оперативного контроля состояния посевов и прогноза урожая, улучшить сбор сельскохозяйственной статистики, повысить точность, однородность, объективность и частоту наблюдений.

Системы управления базами данных и средства пространственного анализа, заложенные в ГИС-системах позволяют выявлять скрытые закономерности в данных. С помощью таких средств анализа можно проанализировать влияние рельефа, характеристик почвы, гидрологического режима, внесение удобрений и т. д. на сельхозугодия любого уровня [8]. Украина обладает огромными площадями сельскохозяйственных угодий. Множество земель не используются вообще, используются неэффективно или неграмотно, часто с нарушением природоохранного законодательства.

В космическом мониторинге земель сельскохозяйственного назначения заинтересованы как производители сельхозпродукции, так и государственные службы. С одной стороны, оперативная и детальная информация о состоянии выращиваемых культур позволяет эффективно планировать агрономические мероприятия и достигать максимальных урожаев. С другой стороны данные ДЗЗ - независимый и объективный источник информации для государственных служб. Эти данные могут использоваться для составления кадастра земель сельскохозяйственного назначения, проведения их оценки, проверки и уточнения границ сельхозугодий, контроля целевого использования земель мониторинга состояния посевов и прогноза урожая [рис. 9.] показан пример такого совместного использования ГИС и ДЗЗ - технологий.

Рисунок 9. Аэрофотоснимок, интегрированный в ГИС-систему для инвентаризации земельных участков [8]

Поэтому важнейшей задачей для развития агропромышленного комплекса (АПК) России есть создание современной многоуровневой основы компьютерных интерактивных карт, различных баз данных сельхозстатистики, космических снимков разного пространственного разрешения, интегрированных в единой геоинформационной системе. В процессе решения общей задачи требуется:

создание единого пространственного банка геоданных для накопления и анализа информации;

создание системы для принятия обоснованных и эффективных решений по развитию аграрного сектора в экономике Украины и выполнению социальных программ в отношении сельского населения;

повышение эффективности управления сельскохозяйственным производством;

эффективное размещение инвестиционно-привлекательных агропромышленных объектов.

В геоинформационной системе сельского хозяйства необходимо также решение следующих задач:

Земельные отношения и охрана земель:

система идентификации и учета земельных участков;

контроль за использованием земель;

мониторинг состояния земель;

рациональное использование земель;

охрана земельных ресурсов.

Сельскохозяйственное производство:

оптимизация процессов обработки земли и ухода за сельхозкультурами;

планирование и анализ производства с учетом множества природных, экономических, технологических, социальных и других факторов;

повышение точности, однородности, объективности и частоты наблюдений за посевами;

прогнозирование урожая.

В «Институте передовых технологий» был создан пилотный проект «ГИС-России. Сельское хозяйство» на основе векторной карты масштаба 1: 200000, на базе платформы фирмы ESRI ArcView Gis. Эта система кроме более 20-ти традиционных картографических слоев (области, районы, населенные пункты, реки, автодороги, железные дороги, растительность и т. п.) включают в себя векторные тематические слои, которые имеют отношение к сельскому хозяйству, грунты, сельхозугодья, посевные площади разных сельхозкультур, размещение основных агропромышленных ресурсов, сбор зерновых за последние годы, поголовье скота и птицы и другую статистическую сельхозинформацию в картографическом представлении. В ГИС также были введены космические снимки [рис.10].

Рисунок 10. «ГИС-Россия. Сельское хозяйство» с космическим снимком Landsat [8]

Геоинформационные системы позволяют создавать удобные и гибкие базы данных, которые хранят в себе как пространственную так и семантическую информацию и позволяют вести мониторинг посевов, результатов хозяйствования, что позволяет составлять более точные прогнозы в последующем [рис.11].

Рисунок 11. Схема функционирования ГИС в сельском хозяйстве

Предварительное исследование показало, что система «ГИС-Россия. Сельское хозяйство» является эффективным инструментом для организации сельскохозяйственной пространственной информации, ее накопления, анализа управления сельским хозяйством на национальном уровне и региональных уровнях. Использование аэрокосмических снимков различного пространственного разрешения позволяет решить полный комплекс задач мониторинга: от ведения кадастра земель сельскохозяйственного назначения, проведения их оценки, проверки и уточнения границ сельхозугодий, контроля целевого использования земель до распознавания сельхоз культур, оценка объема биомассы в виде вегетационного индекса, прогнозирования урожайности и т. д. [1].

3.4 Геотехнологии в управлении территориальным развитием

В настоящее время широко употребляются термины «геотехнологии», «геопространственные технологии», «геоинформационные технологии» [6].

В последние годы термин стал активно употребляться в сфере территориального планирования. В настоящей работе термин «геотехнологии» употребляется как характеризующий применение методов пространственно-временного анализа в системе управления территориальным развитием и планированием для инвентаризации и оценки состояния объектов управления, прогноза их развития в контексте развития территории в целом, а также для разработки оптимальных моделей территориальной организации социально-экономических систем. По сути, геотехнологии представляют собой типовые примеры прикладных задач в области, управления территориальным развитием, реализованные на основе применения комплекса современных ГИС-технологии и соответствующих геоданных. Перечень таких типовых прикладных задач был определен через функции географического обеспечения систем управления территориальным развитием (обоснование содержания и объема понятия дано нами в [9].

Основным средством автоматизированного пространственно-временного анализа являются технологии географических информационных систем (ГИС-технологии), получившие революционное развитие в последние 15 лет.