Геоинформационные системы в Интернете (ГИС). Геоинформационная система Значение геоинформационных систем

56. Геоинформационные системы (ГИС).

Понятие о геоинформационных системах

Геоинформационные системы (ГИС) – это автоматизированные системы, основными функциями которых являются сбор, хранение, интеграция, анализ и графическая визуализация в виде карт или схем пространственно-временных данных, а также связанной с ними атрибутивной информации о представленных в ГИС объектах.

ГИС возникли в 1960–70 гг. на стыке технологий обработки информации в системах управления базами данных и визуализации графических данных в системах автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированного производства карт, управления сетями. Интенсивное использование ГИС началось в середине 90-х гг. ХХ в. В это время появляются мощные и относительно дешевые персональные компьютеры, становится более доступным и понятным программное обеспечение.

В качестве источников данных для создания ГИС служат:

Картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Так как получаемые с карт данные имеют пространственную привязку, они используются в качестве базового слоя ГИС;

Данные дистанционного зондирования (ДДЗ), прежде всего, материалы, получаемые с космических аппаратов и спутников. При дистанционном зондировании 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). Благодаря этому с применением ДДЗ решают 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 т. д.; - 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 т. д).

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.

Классификация геоинформационных систем.

ГИС системы разрабатывают и применяют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, а также 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, 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:

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 ГИС подразделяются на глобальные (планетарные), общенациональные, региональные, локальные (в том числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации – общегеографические, экологические и природопользовательские, отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.).

По способу организации географических данных – векторные, растровые, векторно-растровые ГИС.

Основные компоненты геоинформационных систем.

К основным компонентам ГИС относят: технические (аппаратные) и программные средства, информационное обеспечение.

Технические средства – это комплекс аппаратных средств, применяемых при функционировании ГИС. К ним относятся рабочая станция (персональный компьютер), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях. Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты.

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.

Устройства для обработки и хранения данных интегрированы в системном блоке компьютера, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, запоминающие устройства (жесткие диски, переносные магнитные и оптические носители информации, карты памяти, флеш-накопители и др.). Устройства вывода данных – монитор, графопостроитель, плоттер, принтер, с помощью которых обеспечивается наглядное представление результатов обработки пространственно-временных данных.

Программные средства – программное обеспечение (ПО) для реализации функциональных возможностей ГИС. Оно подразделяется на базовое и прикладное ПО.

Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

К прикладному ПО относятся программные средства, предназначенные для решения специализированных задач в конкретной предметной области. Они реализуются в виде отдельных модулей (приложений) и утилит (вспомогательных средств).

Информационное обеспечение – совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации. Особенность хранения пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.

(Тут всё обычно. По пунктам.)

1. Что такое ГИС?

ГИС – это набор компьютерного оборудования, географических данных и программного обеспечения для сбора, обработки, хранения, моделирования, анализа и отображения всех видов пространственно привязанной информации.

ГИС – это среда, которая связывает географическую информацию (где что находится) с описательной (что собой это представляет). В отличие от обычных бумажных карт (даже отсканированных), на которых «что вы видите, то и получите», ГИС предоставляет в ваше распоряжение множество слоев разнообразной общегеографической и тематической информации.

2. Как хранится информация в ГИС?

Вся исходная информация – где расположены точки, какова длина дорог или площадь озера – хранится в отдельных слоях в цифровом виде на компьютере. И все эти географические данные рассортированы по слоям, причем каждый слой представляет свой тип объектов (тему). Одна из таких тем может содержать все дороги на определенной территории, другая – озера, а третья – все города и другие населенные пункты на той же территории.

http:// www.dataplus.ru/Arcrev/Number_43/1_Geograf.html

3. ГИС можно рассматривать в трех видах:

Г ИС можно рассматривать в трех Видах:

Вид базы данных: ГИС является уникальным типом базы данных о нашем мире – географической базы данных. Это «Информационная система для географии». В основе ГИС лежит структурированная БД, описывающая мир в географических терминах, с точки зрения пространственного расположения его объектов и явлений.

Вид карты: ГИС – это набор интеллектуальных карт и других графических видов, которые показывают объекты и их взаимоотношения на земной поверхности. Карты можно сформировать и использовать как «окно в базу данных» для поддержки запросов, анализа и редактирования информации. Эти действия называются геовизуализацией.

Вид модели: ГИС – это набор инструментов для преобразования информации. Они позволяют формировать новые географические наборы данных из уже существующих, применяя к ним специальные аналитические функции – инструменты геообработки. Другими словами, путем объединения данных и применения некоторых правил вы можете создать модель, помогающую найти ответы на поставленные вопросы.

http://www.dataplus.ru/Arcrev/Number_43/1_Geograf.html

4. Что можно делать с помощью ГИС?

Делать пространственные запросы и проводить анализ

проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы

выявлять территории подходящие для требуемых мероприятий; выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью с/х культур); выявлять места разрывов электросетей

http://moslesproekt.roslesinforg.ru/activity/023gil-inform

5. Где применяются ГИС?

Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории

ГИС служат для графического построения карт и получения информации как об отдельных объектах

Компания, занимающаяся инженерными коммуникациями

ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д.

http://gis-laris.narod.ru/primen_gis.htm

6. Что такое GPS?

GPS - спутниковая система навигации , обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe.

http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS

7. Кто использует GPS ?

GPS имеет ряд применение на земле, в море и в воздухе. В основном их можно применять везде, где можно получить сигнал со спутника, за исключением внутри зданий, в шахтах и пещерах, под землей и под водой.

http://www.1yachtua.com/Encycl/Elctrn/IspGPS.html

8. Что такое GPS-приёмник (GPS-навигатор)?

GPS-приёмник - радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR . В России с развитием системы ГЛОНАСС начался серийный выпуск ГЛОНАСС-приёмников рядом конструкторских бюро и организаций.

http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS-%D0%BF%D1%80%D0%B8%D1%91%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D0%BA

9. Как используются карты в GPS-приёмниках?

Наличие карты существенно улучшает пользовательские характеристики приёмника. Приёмники с картами показывают положение не только самого приёмника, но и объектов вокруг него.

Все электронные GPS-карты можно поделить на два основных типа - векторные и растровые.

http://wiki.risk.ru/index.php/GPS-%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D0%BA

Геокэшинг (geocaching от греч. γεο- - Земля и англ. cache - тайник) - туристическая игра с применением спутниковых навигационных систем , состоящая в нахождении тайников , спрятанных другими участниками игры.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D0%BA%D0%B5%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B3

11. Кто играет в геокешинг?

В неё можно играть семьёй, компанией или в одиночку

Геокэшинг активно применяется в качестве корпоративного развлечения. Сотрудники обеспечивающей фирмы прячут тайники, инструктируют участников, обеспечивают их экипировкой и GPS-навигаторами.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%C3%E5%EE%EA%FD%F8%E8%ED%E3

12. Что такое Google Earth?

Проект компании Google , в рамках которого в сети Интернет были размещены спутниковые фотографии всей земной поверхности. Фотографии некоторых регионов имеют беспрецедентно высокое разрешение.

Во многих случаях русская версия Google Earth называется Google Планета Земля, например, в главном меню или на официальном сайте.

http://ru.wikipedia.org/wiki/GoogleEarth

13. Возможности Google Планета Земля?

Просмотр спутниковых снимков - удобная навигация, бесшовное соединение спутниковых снимков и моментальное отображение с постепенной прорисовкой деталей;
Построение перспективных (рельефных) изображений с наложением спутниковых снимков;
Нанесение своих точек, линий и полигонов и экспорт их в специальный файл (в формате Google) для обмена с другими пользователями GE;
Наложение своих изображений (например логотипы, собственные карты и т.д.) и их примерное совмещение с подстилающей поверхностью;
Измерение расстояний;
Облет территории на заданной высоте и скорости.

http://gis-lab.info/qa/google-earth.html

2 ГИС Саратов

http://saratov.2gis.ru/

Практическая работа « 2 ГИС Саратов»

Задание 1: С помощью инструмента Каталог (в верхнем левом углу программы) посмотрите каталог организаций города Саратова.

Задание 2: Воспользуйтесь системой «Поиск». Введите адрес (по вашему желанию), район. Программа автоматически укажет необходимый адрес.

Задание 3: Для построения проезда на городском транспорте или автомобиле между любыми точками на карте воспользуйтесь блоком «Как проехать?» на вкладке Поиск.

Географические информационные системы или просто геоинформационные системы (ГИС) – это управления пространственными данными. Пространственные данные , в свою очередь, это данные, описывающие местоположение объектов в пространстве, чаще всего, в виде двух или трехмерной геометрии. Геоинформационные системы позволяют выполнять с пространственными данными все то же самое, что и любые другие информационные системы со своими данными, а именно: предоставляют возможность их добавлять, удалять, обновлять, осуществлять к ним запросы, просматривать, анализировать и т.д.

Выделяют два основных формата представления пространственных данных: в виде векторной графики и в виде растров:

Растровая графика или растровое изображение это обычно двумерный массив точек, каждая из которых представлена своим цветом. Современные ГИС позволяют работать с растровыми изображениями практически любых форматов от bmp, png и jpeg и до TIFF/GeoTIFF. Используется растровая графика обычно для оформления “подложки” цифровой карты, поверх которой уже отображается векторная геометрия. За примерами далеко ходить не надо: откройте Google Maps или карты Яндекс и там вы увидите огромное количество растров. В виде векторной графики на этих картах представлено совсем немного, а именно граф дорог, границы территорий и некоторые другие объекты. Неоспоримым плюсом растровых изображений на цифровых картах является то, что они позволяют отображать огромное количество пространственной информации при относительно небольших объемах занимаемой памяти. Минусом является то, что качество изображения на растре резко снижается при значительном увеличении масштаба отображения, поэтому для разных масштабов используют растры различного территориального охвата и разрешения, которые сменяют друг друга при увеличении и уменьшении картинки. Как это происходит можно увидеть, работая с теми же Google Maps и картами Яндекс.

Векторная графика – это, собственно, геометрия, представленная в виде наборов координат. Формат представления векторной графики не хранит само изображение - оно формируется “налету“ подсистемой рендеринга (визуализации) ГИС, и поэтому качество картинки всегда высокое, независимо от текущего масштаба. Выделяют следующие виды векторных пространственных данных:

Точечная геометрия . Используется в тех случаях, когда на заданном масштабе электронной карты важно лишь местоположение объекта. Обычно точечная геометрия и отображается в виде точки на карте определенного цвета, но некоторые ГИС позволяют заменять эту точку растровым рисунком или векторным символом, например стрелкой, условным обозначением или иконкой. Помимо координат точки, сама точечная геометрия может быть дополнительно параметризирована ориентацией на плоскости или в пространстве, что определяет угол поворота соответствующего символа или иконки на карте. Использовать точечную геометрию могут для визуализации практически любых объектов, за исключением протяженных, поскольку все зависит от масштаба карты.

Линейная геометрия . Используется для представления объектов, для которых важно отразить их протяженность (длину) и линейную конфигурацию. К таким объектам относят дороги, реки (на мелких масштабах), участки территориальных границ и прочие подобные объекты. Опять же, на более крупных масштабах те же объекты могут уже изображаться в виде площадной геометрии.

Площадная геометрия . Используется тогда, когда важно все: и местоположение и протяженность и площадь. К примеру, участок с домом на мелком масштабе может быть представлен точечной геометрией, а на более крупном уже площадной и линейной. Площадная геометрия – это не только полигоны, но и комплексы, состоящие из линейных фрагментов, дуг различных радиусов, а также, содержащих дыры, представленные другими полигонами.

ГИС и основы информационного моделирования

Векторная и растровая геометрия в ГИС не конкурируют между собой, а выполняют каждая свои функции. Растровая графика используется для оформления графического представления электронной карты. Она помогает ориентироваться пользователю при просмотре и поиске объектов на карте, поскольку местность чаще всего представлена аэрофотоснимками местности. Векторная графика – это средство представления на карте значимых в контексте текущей конфигурации ГИС объектов – тех объектов, данными которых управляет информационная система. Если это карта города, то в виде векторной графики обычно представлены улицы, дома, инженерные сооружения и прочие объекты городской инфраструктуры. Если это инженерные сети, к примеру, сети водоканала или теплосети, то значимыми объектами в данном случае дополнительно являются участки трубопроводов, узловые подстанции, оборудование и т.д.

К достоинствам векторной графики, помимо упомянутого выше постоянного качества изображения на любых масштабах, следует отнести возможность выбирать объекты на карте, редактировать их представление с помощью встроенных в ГИС инструментов или выполнять к таким данным пространственные запросы.

Пространственный запрос – это структурированный запрос к пространственным данным, критериями которого являются условия, связанные с координатами векторной геометрии. К примеру, можно запросить все объекты определенного типа, которые находятся внутри заданного контура, пересекают заданную границу или находятся на определенном расстоянии от заданной точки.

С пространственными данными может быть связана также любая неграфическая информация, дополнительно характеризующая тот или иной объект в системе. Более того, любой объект информационной модели в ГИС может быть представлен совокупностью пространственных объектов и наборов, связанных с ними семантических атрибутов, описывающих этот объект точно так же, как если бы он был представлен в любой неграфической системе. Допустим, если ГИС использует для хранения своих данных СУБД, то семантическая часть описания объектов - это записи в таблицах реляционной базы данных. Пример: ГИС управляет данными сетей газопровода. Объект “участок газопровода” в этом случае может быть представлен структурами линейной геометрии для просмотра сети на мелком масштабе карты; площадной геометрии для крупного масштаба и отдельной таблицей для хранения его длины, радиуса, материала и прочих технических характеристик. Довольно часто структурированные запросы к данным под управлением ГИС представляют собой симбиоз традиционных к базе данных и параметров пространственных запросов. К примеру, запрос на выбор всех участков газопровода определенного радиуса на заданной некоторым полигоном территории.

С основными принципами информационного моделирования, которые также справедливы и для ГИС вы можете познакомиться .

Из чего состоит и как работает геоинформационная система

Подсистема работы с хранилищами пространственных данных. Есть ГИС решения, которые в качестве хранилища пространственных данных используют базы данных, взаимодействуя с СУБД. Есть программные продукты, которые данные хранят в файлах собственного формата, а есть те, которые могут работать с различными источниками графической информации. Подсистема работы с хранилищами пространственных данных – это программные компоненты ГИС, ответственные за создание соединений с самими хранилищами и обмена с ними данными, в том числе, по сетевым протоколам.

Модуль управления координатными системами. Координаты, которыми представлены пространственные данные в геоинформационном хранилище могут соответствовать либо прямоугольной (декартовой), либо географической, построенной на основе эллипсоида, системе координат. Если раньше считалось, что земля круглая, то в наше время ее форма описывается довольно сложной фигурой – геоидом . Поверхность геоида совпадает с уровнем вод мирового океана, условного продолженного под материками. Эллипсоид , в свою очередь, это геометрическое место точек, полученное вращением геоида вокруг своей главной оси. Я не являюсь специалистом в геодезии, посему в тонкости построения земных систем координат вдаваться не буду, а продолжу свой рассказ с позиции пользователя ГИС. Система координат может быть также глобальной (на всю территорию земли) или локальной - предназначенной для позиционирования в определенных пределах земной поверхности. Есть локальные географические системы координат, которые для конкретной местности обладают более высокой точностью, чем мировая система координат. Достигается это за счет того, что построены такие системы координат на основе более точного в условиях данной местности локального эллипсоида (в сравнении с глобальным его описанием). Прямоугольные системы координат, по природе своей, все локальные, поскольку лишь на небольших территориях погрешность, связанная с тем, что земля все-таки не плоская, а круглая, не мешает строить относительно точные карты. Начало координат таких систем координат выбирается произвольно, а создаются они для разных целей, в том числе и для того, чтобы иметь представление о взаимном расположении объектов, но исключить в целях безопасности возможность получения их истинных (мировых) координат. Примером локальной системы координат является местная система координат города Москвы, имеющая нулевые координаты в районе главного здания МГУ.

Модуль управления координатными системами предназначен для преобразования точек из исходной системы координат хранилища пространственных данных в координаты плоскости, с которыми работает графическое ядро операционной системы, позволяющее выводить изображение на экран, принтер и другие устройства вывода. Данный модуль также ответственен за обратное преобразование: трансформацию координат точки на плоскости в координаты информационного хранилища (мировые или локальные координаты). Обратное преобразование используется в процессе редактирования (оцифровки) геометрии инструментальными средствами ГИС. Чаще всего ГИС имеет дело с системой координат WGS 84 (World Geodetic System), являющейся единой системой координат на всю территорию планеты Земля. Географическая или, как ее еще называют, геоцентрическая система координат, такая как WGS 84, является эллипсоидной системой координат, определяющей координаты объектов относительно центра масс земли. Географические системы координат отличаются друг от друга формой эллипсоида, на котором они базируются. Набор преобразований, которые применяются для трансформации координат географической системы координат в декартову систему координат, называется картографической проекцией. Другими словами, картографическая проекция – это отражение (развертывание) эллипсоида географической системы координат на плоскость. Наиболее широко распространенными проекциями являются проекция UTM (Universal Transverse Mercator) и проекция Гаусса Крюгера (ГК).

Легенда или подсистема настройки графического представления. Любое хранилище пространственных данных представлено набором объектов векторной и растровой графики. В ГИС 2D отдельные объекты пространственных данных часто называют слоями, поскольку изображение, формируемое в окне электронной карты, создается последовательно: подсистема отображения “рисует” по очереди каждый тип объектов. Таким образом, результат формирования изображения – это многослойная двухмерная картинка, где каждый последующий слой нанесен поверх предыдущего. Легенда – это основной инструмент в ГИС, при помощи которого определяется не только порядок вывода объектов на карту (порядок слоев), но и параметры их отображения (цвет, толщина линий, шрифт подписей и т.д.). С помощью легенды отдельные объекты можно включать и исключать из списка отображаемых слоев на карте. Легенда может описывать слои, которые представляют объекты, извлекаемые подсистемой работы с пространственными данными из разных соединений. К примеру, на одной карте объединяются данные топографической карты (местности) из одного источника и данные инженерных сетей (газопровод, теплосеть и т.п.) из другого источника.

Подсистема отображения. Важным параметром настройки графического представления пространственных данных является номинальный масштаб карты . Именно тогда, когда масштаб отображения данных в окне электронной карты ГИС соответствует номинальному масштабу, толщина линий, размер шрифта и прочих параметров соответствует тем, что заданы в легенде, а в условиях другого масштаба, который легко может быть изменен пользователем, толщина линий и размер шрифта будут увеличены или уменьшены соответственно. Таким образом, номинальный масштаб карты – это точка отсчета для подсистемы отображения. По какому принципу подсистема отображения формирует графическое представление пространственных данных, во многом определяется легендой конкретной карты. Рабочее место ГИС может состоять из целого набора электронных карт, каждая из которых представлена своей легендой.

Подсистема редактирования пространственных данных. Это, собственно, тот набор инструментальных пользовательских средств ГИС, которые позволяют редактировать пространственные данные. Нанесение новой или редактирование существующей геометрии обычно сводится к последовательному указанию точек на карте. При выборе этих точек модуль управления координатными системами трансформирует координаты курсора на экране в точки, соответствующие системе координат информационного хранилища. Современные системы графического ввода могут также позволять при указании точек “привязываться” к уже имеющимся данным, например, к углам или серединам отрезков ломаных линий, к точечной геометрии и т.д.

Подсистема анализа пространственных данных. Та самая подсистем, которая позволяет настраивать, выполнять и отображать результаты пространственных запросов. Параметры графического представления результатов пространственных запросов, также определяются средствами легенды.

Подсистема печати. Разновидность подсистемы отображения, предназначенная для вывода фрагментов электронных карт на принтер или плоттер (графопостроитель). К дополнительным функциям подсистемы печати, в сравнении с подсистемой вывода изображения на экран, можно отнести настройку и формирование графического представления на распечатке самой легенды, а также условного обозначения масштаба, компаса, и прочих атрибутов, необходимых для работы с бумажной версией карты.

Подсистема бизнес логики. Любые программные средства, используемые в ходе настройки работы геоинформационной системы для решения конкретной прикладной задачи или группы задач. К таким средствам может относиться и подсистема информационного моделирования предметной области, для интеграции с другими информационными системами, и , создаваемых, к примеру, на встроенном в ГИС и многое другое. Состав подсистемы бизнес логики у разных программных продуктов этого класса может существенно отличаться, а может вообще отсутствовать, поскольку все зависит от назначения конкретного решения.

Наиболее известные современные ГИС

Наиболее известными представителями программных компонентов ГИС являются продукты трех американских компаний. Это семейство решений Geomedia компании Intergraph, продукты ArcGIS компании ESRI и инструментарий MapInfo компании Pitney Bowes. В России, в силу ряда обстоятельств наиболее популярными являются последние две, хотя Geomedia во многих аспектах является более универсальным и современным продуктом. В частности, Geomedia и Geomedia Professional позволяет пользователю работать с пространственными данными различных форматов непосредственно (в том числе с данными ArcGIS и MapInfo), не прибегая к предварительным процедурам их конвертации и импорта, в то время как решения конкурентов предпочитают работать только со своими форматами данных.

P.S. Примеры проектирования подсистем ГИС на языке C# в контексте изучения объектно-ориентированного подхода в программировании, а именно: классы для работы с векторной графикой, подсистема работы с геоинформационным хранилищем, архитектура сервиса линейных преобразований и некоторые другие рассматриваются курса программирования .

Внедрение информационных систем в разные сферы деятельности человека находят свое место в области геодезии и смежных, связанных с ней и другими земными областями исследований. Направляясь параллельным курсом с возникновением и развитием спутниковой геодезии, информационные системы предоставили технологические, управленческие, геологические, метеорологические, картографические, транспортные, многоотраслевые возможности получения необходимой пространственной информации определенной степени точности.

Любая геоинформационная система (ГИС) - это, говоря современным языком, прежде всего проект на основе научных и практических данных с целью получения какого-то конечного результата по поставленной тематике.

ГИС - это своего рода новая форма геоизысканий, связанных на основе сбора и обработки необходимых данных методами геодезии, прикладной математики и созданных компьютерных приложений.

В словосочетании «геоинформационная система» содержатся три основополагающих слова, раскрывающих его сущность.

Со словом «гео» связаны все объекты изысканий и исследований внутри, около и на земной поверхности.

С «информационной» составляющей словосочетания связаны методы обработки и преобразования получаемой информации в необходимый цифровой графический продукт.

«Система» считается связующей составляющей, которая придает целостность всей картине исследований и объединяет все ее элементы и параметры в пространственную форму.

Геоинформационные системы можно рассматривать как программные средства, которые позволяют работать с пространственно-соотнесенной информацией, с геоизображением, но не с простым изображением, а которое зарегистрировано. Процесс регистрации (привязки) подразумевает под собой определенные действия по ориентированию изображений конкретным образом в той или иной системе координат . Именно такая возможность считается главной особенностью ГИС в отличие от других программ.

Она обладает и специальными инструментами, которые позволяют обычную карту сделать реальной моделью существующей поверхности. Так в определенный момент пришла идея карту совместить с информацией, то есть карта не сама по себе, а она обладает специальными атрибутами (описательными характеристиками), которые являются непространственными. Соотнесение пространственной информации с непространственной, увязка в единую систему и создание инструментов анализа привело к появлению ГИС конструкций. Совмещение позиционной и непозиционной информаций можно считать главным ноу-хау ГИС построений.

Структура геоинформационной системы

Геоинформационная конструкции состоит из четырех составных частей:

Первая часть подразумевает под собой сбор данных и материалов из всевозможных первоисточников информации; существуют позиционные (с координатной привязкой) и непозиционные (описательные, в атрибутивных таблицах) первоисточники;
Вторая часть состоит из выборки необходимых данных и ее хранения на компьютерных носителях;
Третья часть технологическая, которая служит для систематизации, описания, сравнения, выделения, и главное анализа данных различными способами;
Четвертая часть результирующая, с выводами окончательных результатов в требуемых формах в соответствии с техническими заданиями.

Возможности, возникающие при работе в ГИС

В процессе работы с геоинформационными системами можно сделать вывод о том, что они позволяют давать быстрые ответы на многие вопросы и принимать оптимальные решения в различных сферах деятельности человека, а именно:

что находится в определенных районах местоположения?
Где находится конкретный объект?
Оценивать динамику изменений во времени, пространстве, объемах и так далее;
какие пространственные структуры существуют?
Позволяют осуществлять моделирование с конкретными техническими проектными условиями (например, картограмма земляных масс)

Основные функциональные возможности приложений ГИС состоят в следующем:

Регистрации геоизображений;
Создание новых геоизображений (векторизацмя);
Создание баз данных и ихстатистическая обработка;
Анализ и обработка пространственных данных (геоанализ);
Анализ непространственных (атрибутивных) данных;
Визуализация и картографирование;
Хранение данных.

Виды геоинформационного строительства

Следует выделить возможности классифицировать ГИС по разным критериям:

По территориальному признаку (глобальные, национальные, региональные, территориальные, местные)
По тематическому признаку (геологические, сельскохозяйственные, лесные, метеорологические, городские и другие)
По функциональным признакам (многомасштабные, пространственно-временные)

Перспективы развития геоинформационных конструкций

В настоящее время перспективными направлениями развития геоинформационного порядка считаются:

данные дистанционного зондирования земли (все, что получаем с космических мультиспектральных снимков различного диапазона, радиоданных искусственных спутников земли);
глобальное позиционирование (GPS технологии) с ГИС-приложениями в коммуникационном пространстве;
интернет и геоинформационные системы (хранение информации в сети по технологии «облако», поисковые системы, другие порталы);
ГИС телевидение;
ГИС2 (ГИС изучающие сами себя).

ГИС - это современные геоинформационные мобильные системы, которые обладают возможностью отображать свое местоположение на карте. В основе этого важного свойства лежит использование двух технологий: геоинформационной и Если мобильное устройство имеет встроенный GPS-приемник, то с помощью такого прибора можно определить его местоположение и, следовательно, точные координаты самой ГИС. К сожалению, геоинформационные технологии и системы в русскоязычной научной литературе представлены небольшим количеством публикаций, вследствие этого практически полностью отсутствует информация об алгоритмах, лежащих в основе их функциональных возможностей.

Классификация ГИС

Подразделение геоинформационных систем происходит по территориальному принципу:

Глобальная ГИС используется для предотвращения техногенных и природных катаклизмов с 1997 года. Благодаря этим данным можно за относительно короткое время спрогнозировать масштабы катастрофы, составить план ликвидации последствий, оценить нанесенный ущерб и людские потери, а также организовать гуманитарные акции.
Региональная геоинформационная система разработана на муниципальном уровне. Она позволяет местным властям прогнозировать развитие определенного региона. Данная система отражает практически все важные сферы, например инвестиционные, имущественные, навигационно-информационные, правовые и др. Также стоит отметить, что благодаря использованию данных технологий появилась возможность выступать гарантом безопасности жизнедеятельности всего населения. Региональная геоинформационная система в настоящее время используется достаточно эффективно, способствуя привлечению инвестиций и стремительному росту экономики района.

Каждая из вышеописанных групп имеет определенные подвиды:

В глобальную ГИС входят национальные и субконтинентальные системы, как правило, с государственным статусом.
В региональную - локальные, субрегиональные, местные.

Сведения о данных информационных системах можно найти в специальных разделах сети, которые называются геопорталами. Они размещаются в открытом доступе для ознакомления без каких-либо ограничений.

Принцип работы

Географические информационные системы работают по принципу составления и разработки алгоритма. Именно он позволяет отображать движение объекта на карте ГИС, включая перемещение мобильного устройства в пределах локальной системы. Чтобы изобразить данную точку на чертеже местности, необходимо знать, по крайней мере, две координаты - X и Y. При отображении движения объекта на карте потребуется определить последовательность координат (Xk и Yk). Их показатели должны соответствовать разным моментам времени локальной системы ГИС. Это является основой для определения местонахождения объекта.

Данную последовательность координат можно извлечь из стандартного NMEA-файла GPS-приемника, выполнившего реальное движение на местности. Таким образом, в основе рассматриваемого здесь алгоритма лежит использование данных NMEA-файла с координатами траектории объекта по определенной территории. Необходимые данные можно получить также в результате моделирования процесса движения на основе компьютерных экспериментов.

Алгоритмы ГИС

Геоинформационные системы построены на исходных данных, которые берутся для разработки алгоритма. Как правило, это набор координат (Xk и Yk), соответствующий некоторой траектории объекта в виде NMEA-файла и цифровой карты ГИС на выбранном участке местности. Задача заключается в разработке алгоритма, отображающего движение точечного объекта. В ходе данной работы были проанализированы три алгоритма, лежащих в основе решения поставленной задачи.

Первый алгоритм ГИС - это анализ данных NMEA-файла с целью извлечения из него последовательности координат (Xk и Yk),
Второй алгоритм используется для вычисления путевого угла объекта, при этом отсчет параметра выполняется от направления на восток.
Третий алгоритм - для определения курса объекта относительно стран света.

Обобщенный алгоритм: общее понятие

Обобщенный алгоритм отображения движения точечного объекта на карте ГИС включает три указанных ранее алгоритма:

анализ данных NMEA;
вычисление путевого угла объекта;
определение курса объекта относительно стран всего земного шара.

Географические информационные системы с обобщенным алгоритмом оснащены основным управляющим элементом - таймером (Timer). Стандартная задача его заключается в том, что он позволяет программе генерировать события через определенные промежутки времени. С помощью такого объекта можно устанавливать требуемый период для выполнения набора процедур или функций. Например, для многократно выполняемого отсчета интервала времени в одну секунду надо установить следующие свойства таймера:

Timer.Interval = 1000;
Timer.Enabled = True.

В результате каждую секунду будет запускаться процедура считывания координат X, Y объекта из NMEA-файла, вследствие чего данная точка с полученными координатами отображается на карте ГИС.

Принцип работы таймера

Использование геоинформационных систем происходит следующим образом:

На цифровой карте отмечаются три точки (условное обозначение - 1, 2, 3), которые соответствуют траектории движения объекта в различные моменты времени tk2, tk1, tk. Они обязательно соединены сплошной линией.
Включение и выключение таймера, управляющего отображением передвижения объекта на карте, осуществляется с помощью кнопок, нажимаемых пользователем. Их значение и определенную комбинацию можно изучить по схеме.

NMEA-файл

Опишем кратко состав NMEA-файла ГИС. Это документ, записанный в формате ASCII. По сути, он представляет собой протокол для обмена информацией между GPS-приемником и другими устройствами, например ПК или КПК. Каждое сообщение NMEA начинается со знака $, за которым следует двухсимвольное обозначение устройства (для GPS-приемника — GP) и заканчивается последовательностью \r\n — символом перевода каретки и перехода на новую строку. Точность данных в уведомлении зависит от вида сообщения. Вся информация содержится в одной строке, причем поля разделяются запятыми.

Для того чтобы разобраться, как работают геоинформационные системы, вполне достаточно изучить широко используемое сообщение типа $GPRMC, которое содержит минимальный, но основной набор данных: местоположение объекта, его скорость и время.
Рассмотрим на определенном примере, какая информация в нем закодирована:

дата определения координат объекта — 7 января 2015 г.;
всемирное время UTC определения координат — 10h 54m 52s;
координаты объекта — 55°22.4271" с.ш. и 36°44.1610" в.д.

Подчеркнем, что координаты объекта представлены в градусах и минутах, причем последний показатель дается с точностью до четырех знаков после запятой (или точки как разделителя целой и дробной частей вещественного числа в формате USA). В дальнейшем понадобится то, что в NMEA-файле широта местоположения объекта находится в позиции после третьей запятой, а долгота — после пятой. В конце сообщения передается после символа "*" в виде двух шестнадцатеричных цифр — 6C.

Геоинформационные системы: примеры составления алгоритма

Рассмотрим алгоритм анализа NMEA-файла с целью извлечения набора координат (X и Yk), соответствующих объекта. Он составляется из нескольких последовательных шагов.

Определение координаты Y объекта

Алгоритм анализа данных NMEA

Шаг 2. Найти позицию третьей запятой в строке (q).

Шаг 3. Найти позицию четвертой запятой в строке (r).

Шаг 4. Найти, начиная с позиции q, символ десятичной точки (t).

Шаг 5. Извлечь один символ из строки, находящийся в позиции (r+1).

Шаг 6. Если этот символ равен W, то переменная NorthernHemisphere получает значение 1, иначе -1.

Шаг 7. Извлечь (г—+2) символов строки, начиная с позиции (t-2).

Шаг 8. Извлечь (t-q-3) символов строки, начиная с позиции (q+1).

Шаг 9. Преобразовать строки в вещественные числа и вычислить координату Y объекта в радианной мере.

Определение координаты X объекта

Шаг 10. Найти позицию пятой запятой в строке (n).

Шаг 11. Найти позицию шестой запятой в строке (m).

Шаг 12. Найти, начиная с позиции n, символ десятичной точки (p).

Шаг 13. Извлечь один символ из строки, находящийся в позиции (m+1).

Шаг 14. Если этот символ равен "E", то переменная EasternHemisphere получает значение 1, иначе -1.

Шаг 15. Извлечь (m-p+2) символов строки, начиная с позиции (p-2).

Шаг 16. Извлечь (p-n+2) символов строки, начиная с позиции (n+1).

Шаг 17. Преобразовать строки в вещественные числа и вычислить координату X объекта в радианной мере.

Шаг 18. Если NMEA-файл не прочитан до конца, то перейти к шагу 1, иначе перейти к шагу 19.

Шаг 19. Закончить алгоритм.

На шаге 6 и 16 данного алгоритма используются переменные NorthernHemisphere и EasternHemisphere для численного кодирования местоположения объекта на Земле. В северном (южном) полушарии переменная NorthernHemisphere принимает значение 1 (-1) соответственно, аналогично в восточном EasternHemisphere - 1 (-1).