Характерные особенности ГИС
Географическое положение (размещение) пространственных объектов представляется 2-х, 3-х или 4-хмерными координатами в географически соотнесенной системе координат (широта/долгота).
Свойства (атрибуты) являются описательной информацией определенных пространственных объектов. Они часто не имеют прямых указаний на пространственное размещение, поэтому часто атрибуты называют непространственной информацией.
Пространственные отношения определяют внутренние взаимоотношения между пространственными объектами (например, направление объекта А в отношении объекта В, расстояние между объектами А и В, вложенность объекта А в объект В).
Временные характеристики представляются в виде сроков получения данных, они определяют их жизненный цикл, изменение местоположения или свойств пространственных объектов во времени.
Элементы действительности, смоделированные в базе данных ГИС, имеют два тождества: реальный объект и смоделированный объект (объект БД).
Реальный объект - явление окружающего мира, представляющее интерес, которое не может быть более подразделено на явления того же самого типа.
Объект БД - элемент, в том виде, в каком он представлен в базе данных. Объект БД является "цифровым представлением целого или части реального объекта".
Метод цифрового представления явления изменяется исходя из базового масштаба и ряда других факторов.
Существенной чертой ГИС является наличие пространственных операций с данными. Для того чтобы понять разницу между пространственным и непространственным запросом, можно проанализировать следующую простую таблицу, показывающую распределение количества пользователей ГИС по некоторым городам мира:
| Город | Широта (градусы северной широты) | Долгота (градусы) | Число пользователей ГИС |
| Лондон | |||
| Цюрих | 8 В.Д. | ||
| Утрехт | 5 В.Д. | ||
| Санта-Барбара | 119 З.Д. | ||
| Ороно | 69 З.Д. | ||
| Буффало | 78 З.Д. |
Вопрос «Каково среднее число специалистов, работающих с ГИС в каждом приведенном месте» не является пространственным, т.к. ответ на него не использует координаты центров и не описывает их относительное расположение.
На пространственные запросы: «Сколько специалистов работает с ГИС в Западной Европе?», «Какие центры расположены в пределах 100 миль друг от друга?», «Каков кратчайший маршрут, связывающий все эти центры?» может ответить только ГИС.
Следует заметить, что пространственность является необходимым, но недостаточным условием для квалификации некоторой информационной системы как ГИС. Например, автоматизированные навигационные системы, хотя и оперируют пространственно определенными данными, к географическим информационным системам не принадлежат.
Другой существенной особенностью ГИС по сравнению с другими автоматизированными системами является возможность связывать различные наборы данных. В частности, ГИС связывают пространственные данные с географической информацией о каждом объекте карты. Например, дорожная сеть может быть представлена схемой осевых линий дорог, но в этом случае получаемое визуальное представление дает мало информации о дорогах. Для того, чтобы получить информацию о дорогах, нужно запросить базу данных и создать изображение дорог в условных знаках в соответствие с той информацией, которая должна быть показана, либо воспользоваться хранимыми в базе данных атрибутами для создания новой информации, например, вычисления длины определенной дороги.
Операция связывания заключается в установлении связи между соответствующими записями в базах данных через общее для них поле. Каждая запись в одной таблице связывается с одной или несколькими записями другой таблицы, при этом значение общего поля для этих записей совпадает. Связывание предоставляет доступ к дополнительным атрибутам объектов; связь при этом является временной.
В случае точного соответствия одного набора данных другому несложно произвести сопоставление файлов. Например, в одном файле содержатся данные о географических объектах, а в другом – дополнительная описательная информация о тех же самых объектах. Тогда операция объединения этих файлов выполняется с помощью общего ключа – названия объекта, по которому из обоих файлов извлекается информация, относящаяся к одному и тому же объекту, объединяется и записывается в третий файл.
Возможно иерархическое соответствие информации, например, данные о населении ряда мелких территорий, образующих более крупную. Если более мелкие территории вложены (т.е. точно помещаются внутри) в крупные, то решение вопроса о связи данных для той же территории состоит в использовании иерархического соответствия – надо суммировать данные по всем меньшим территориям, входящим в более крупную, а затем использовать точное соответствие.
В большинстве случаев имеется неточное соответствие, т.е. границы более мелких территорий не связаны с границами более крупных, особенно при работе с природными данными. Например, границы посевных культур, определяемые границами полей, редко соответствуют границам типов почв. Для того, чтобы определить самую продуктивную почву для отдельной культуры, нужно наложить два набора данных и вычислить урожайность каждой культуры на каждом типе почвы. Это напоминает наложение одной карты на другую и выписывание комбинаций продуктивности культур и почв. ГИС способны выполнять все эти операции потому, что в качестве общего ключа всех наборов данных используют географическое (пространственное) положение. Информация связывается только в том случае, когда она относится к одной и той же территории.
Связь между данными очень важна. Хотя каждый набор данных можно анализировать отдельно, но при их объединении возникает комбинированная информация, с помощью которой можно дать ответы на множество сложных запросов. Таким образом, объединяя и связывая данные, ГИС во много раз повышает ценность базы данных.
В общем случае можно выделить пять общих типов вопросов, на которые должна отвечать ГИС:
1. Анализ точки пространства. (Что находится в данном месте?)
Место может быть определено разными способами, например, по названию местности, по почтовому коду или по географическим координатам – широте и долготе.
2. Поиск точки пространства, удовлетворяющей данному условию. (Где это находится?)
Второй вопрос является обратным к первому, и для ответа на него требуется пространственный анализ. Вместо выяснения, что находится в данном месте, надо определить место, в котором удовлетворяются некоторые условия (например, подыскать территорию, не занятую лесом, площадью не менее 2000 кв. м в пределах 100 м от дороги с почвой, подходящей под строительство).
3. Определение тенденций развития. (Что изменилось, начиная с определенного периода?)
Третий вопрос может включать в себя оба первых и представляет собой попытку временного анализа на определенной территории.
4. Выявление различного рода пространственных распределений и аномалий. Примером может служить вопрос: «Является ли рак главной причиной смертности среди населения вблизи АЭС?» Не менее важно знать, сколько имеется аномалий, не соответствующих распределению, и где они находятся.
5. Моделирование ситуаций. (Что, если ...?)
Этот вопрос ставят, например, для выяснения: что произойдет, если к существующей транспортной сети добавить новую дорогу, или если токсичное вещество просочится в местный источник грунтовых вод. Ответ на вопросы такого рода требует привлечения не только географической, но и иной информации (возможно, и законов науки).
Таким образом, ГИС не хранят карты в общепринятом смысле, они не хранят также какое-либо изображение или представление пространства. Вместо этого ГИС хранят данные, с помощью которых можно создать нужное представление, наиболее подходящее для конкретных целей. Поэтому понятие базы данных является центральным для ГИС и является главным отличием ГИС от простой чертежной или компьютерной картографической системы, которая может лишь выдать качественный графический материал. Если же надо пойти дальше простого рисования картинок, необходимо знать три фрагмента информации о каждом объекте: что это такое, где это находится и как это связано с другими объектами (например, какие дороги образуют сеть).
Системы баз данных обеспечивают возможность хранения большого количества такого рода информации и обновления ее без переписывания программ при вводе новых данных. ГИС позволяют связывать описательную информацию с объектами карты и создавать новые связи, благодаря которым можно, например, оценить пригодность каких-либо участков земли для строительства, оценить воздействие на окружающую среду, оценить валовой урожай, найти наилучшее местоположение для нового предприятия и т.д.
Составные части ГИС
На этапе ввода информации в среду ГИС для кодировки данных (прежде всего для аналого-цифрового преобразования картографических материалов) используют средства цифрования, для обработки и преобразования данных – вычислительную технику, а при визуализации данных (построении графических изображений) – автоматизированные устройства графопостроения (плоттеры, дисплеи и т.д.). Такая схема технического обеспечения весьма условна, т.к. функционирование таких устройств порознь бессмысленно без организации их в единую систему.
Система ввода информации в ГИС - это программный блок, отвечающий за получение данных, источниками которых могут являться разнообразные электронные устройства, такие, как дигитайзер (цифрователь), сканер, считывающий изображение в виде растровой картинки, электронные теодолиты, аэрофото- и комические снимки.
Как уже было сказано, база данных является неотъемлемой частью ГИС. Кусок реального мира, подлежащего исследованию, находит свое отражение в некоей упрощенной модели (карте, фотоснимке, численных или символьных наборах данных и т.д.), затем через систему получения информации вводится в базу данных ГИС, которая в свою очередь управляется СУБД (системой управления базами данных).
ГИС работает с базами данных двух типов – графическими и атрибутивными или тематическими. В графических базах данных хранится графическая или метрическая основа. Атрибутивные содержат так называемую нагрузку карты и дополнительные пространственные данные, которые не могут быть прямо нанесены на карту, – это описания территорий или информация, содержащаяся в отчетах. Оба вида баз представляют собой файлы (наборы) цифровых данных, для работы с которыми ГИС должна иметь систему управления базами данных, одну общую или две – отдельно для графической и атрибутивной информации. С помощью СУБД производится поиск, сортировка, добавление и исправление данных.
Задачи ГИС выходят за пределы картографии; они являются основой для интеграции частных географических, геологических, почвенных и других наук при комплексных системных геонаучных исследованиях. Поэтому неотъемлемая часть ГИС - система анализа данных, с помощью которой происходит их обработка и анализ. Методический аппарат геоинформационных технологий прямо или косвенно связан с различными областями прикладной математики (вычислительной геометрии, аналитической и дифференциальной геометрии, откуда заимствованы алгоритмические решения многих аналитических операций технологической схемы ГИС), с машинной графикой (в части машинной реализации визуализационно-картографических возможностей ГИС), распознаванием образов, анализом сцен, цифровой фильтрацией и автоматической классификацией в блоке обработки цифровых изображений растровых ГИС, геодезии и топографии (например, в модулях обработки данных топографо-геодезических съемок традиционными методами или с использованием глобальных навигационных систем).
Кроме этого, ГИС должна иметь систему вывода данных, предназначенную для представления результатов работы в виде, удобном потребителю. Это может быть дисплей, на который выводится информация в виде карт, таблиц, схем и т.п., плоттер (графопостроитель), при помощи которого можно получить качественные черно-белые и цветные изображения, принтер, видеофильмы или слайды.