Глава 7. (дополнительная). Основные области применения ГИС
Современная ГИС – это автоматизированная система, имеющая большое количество графических и тематических баз данных, соединенная с модельными и расчетными функциями для манипулирования ими и преобразования в пространственную картографическую информацию для принятия на ее основе разнообразных решений и осуществления контроля.
Обобщая вышесказанное, можно определить ГИС как информационную основу для решения следующих задач:
§ принятие решений управленческого уровня;
§ научно-обоснованное перспективное и оперативное планирование развития города и его отдельных территорий;
§ оптимальное проектирование объектов промышленного и гражданского назначения на территории города;
§ разработка генерального плана города и контроль над его реализацией;
§ изучение состояния экологических, социально-экономических, природно-ресурсных условий территорий и их экономическая оценка;
§ совершенствование учета и рационального использования городских земель и недвижимости (зданий и сооружений);
§ получение достоверной информации о местоположении и эксплуатации инженерных сетей городского коммунального хозяйства;
§ сбор горно-геологических данных, сведений о техногенных процессах и природных запасах недр многоцелевого применения;
§ проведение налогообложения, взимания платежей за использование природных ресурсов, недвижимости, за загрязнение окружающей среды;
§ охрана прав пользователей, собственников, других потребителей региональных ресурсов.
Как видно из вышеперечисленного, ГИС широко применяется в области кадастра. Кадастр – это упорядоченная совокупность сведений о правовом, природном, хозяйственном и экономическом положении физических объектов и явлений среды во времени в структурном, организационном, функциональном и информационном аспектах.
По назначению ГИС является многоцелевой; к потенциальным потребителям можно отнести:
§ городские структуры распорядительной и исполнительной властей;
§ планирующие органы;
§ налоговые инспекции;
§ юридические и правоохранительные органы;
§ архитектурно-планировочные и земельные службы города;
§ эксплуатирующие организации (коммуникации, транспорт, здания и сооружения);
§ научно-исследовательские и проектные институты;
§ строительные организации;
§ торговые организации, биржи всех назначений;
§ инспекции и контрольные органы социально-экономического и технического надзоров;
§ иностранных партнеров и инвеститоров;
§ коммерческие образования, предпринимателей;
§ частных лиц.
Создание и функционирование ГИС сопряжено с целым рядом специфических задач организационно-правового, научно-технического, технологического и финансово-экономического характера, решение которых невозможно просто перенести из существующих методов информационного обеспечения. Проблема усугубляется еще и тем, что в нашей стране до настоящего времени службы управления городом не занимались созданием кадастров и не имеют необходимого опыта работы. Научные организации не обладают заделом научных разработок, способных обеспечить производство современной научно-методической базой, к тому же сказывается слабая обеспеченность вычислительной техникой и программным обеспечением. Однако потери, прямо или косвенно связанные с отсутствием упорядоченной и достоверной информации о городских территориях, уже сегодня превосходят необходимые затраты на создание ГИС. Например, в 1991 году в штате Калифорния (США) вопросами ГИС было занято 72 специализированных отдела по планированию, определяющих всестороннюю деятельность штата. Ресурсами информационной системы являются земля, воздух, вода, движимое и недвижимое имущество, рабочая сила, средства (деньги), материалы, концепции и технологии. Назначение системы – повышение уровня жизни людей на конкретной территории. Ежегодный оборот таких отделов в 1991 году достиг 2,5 млрд. USD.
По сфере использования ГИС не имеют себе равных. Они применяются в транспорте, навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике и т.д. Переход к автоматизированным методам создания карт с помощью ГИС имеет ряд преимуществ:
• повышение точности картографической информации;
• сокращение трудозатрат на изготовление продукции;
• увеличение производительности труда за счет автоматизации отдельных операций или исключения их.
Методологической основой процессов обработки информации в ГИС является цифровое моделирование местности, объединяющее процессы сбора первичной информации, ее моделирования и обновления, обработки и формирования документов.
За счет применения современных технических средств осуществляется автоматизация полевых и камеральных работ.
Использование ГИС происходит на разных уровнях. Это обусловлено многообразием геоинформационных технологий.
Выделяют следующие территориальные уровни использования ГИС в России:
•глобальный уровень - Россия на глобальном и евразийском фоне, масштаб 1: 4 500 000 - 1: 100 000 000;
•всероссийский уровень - вся территория страны, включая прибрежные акватории и приграничные районы, масштаб 1:2 500 000 - 1:20 000 000;
•региональный уровень - крупные природные и экономические регионы, субъекты Федерации, масштаб 1: 500 000 -1:4 000 000;
•локальный уровень - области, районы, национальные парки, ареал кризисных ситуаций, масштаб 1: 50 000 - 1 000 000;
•муниципальный уровень— города, городские районы, пригородные зоны, масштаб 1: 50 000 и крупнее.
Электронные карты
Цель создания. Развитие методов цифрового картографирования привело к появлению так называемых электронных карт (ЭК). Они представляют собой динамическую визуализацию цифровых карт при помощи видеомониторов и соответствующего программного интерфейса.
Основой для создания и обновления электронных карт являются изображения, которые получаются при съемке местности специальной аппаратурой, размещенной на борту воздушно-транспортных средств.
Применение ЭК вызвано необходимостью повышения эффективности использования информации в различных областях (научные исследования, навигация, социальное управление).
Электронную карту можно рассматривать как многокомпонентную модель реальности. Основными целями ее создания являются:
• графическая коммуникация пространственных отношений и распределений;
• улучшение возможности анализа, обработки и отображения геоинформационных данных;
• визуальное отображение цифровых моделей явлений, не видимых для человеческого глаза;
• автоматизация отображения и картографического анализа в системах управления;
• исследование объектов, явлений и процессов с учетом динамики их развития и возможного использования;
• получение экспертных решений в графическом виде в режимах реального и разделенного времени.
Цифровая картографическая информация (ЦКИ) является частью информационной основы ГИС и обусловливает возможности ЭК при геомоделировании.
Визуализация пространственных данных в форме ЭК выполняет роль интерфейса, обеспечивающего пользователю динамическое двустороннее взаимодействие с базой пространственных данных.
Принципы построения. Свойства ЭК. Для электронных карт, как и для традиционных, характерны следующие принципы построения и свойства:
• пространственно-временное отображение геоинформационных объектов реального мира;
• системность отображения главных элементов с учетом генезиса, структуры и иерархии объектов;
• избирательность (синтетичность), раздельное представление или выделение характерных особенностей действительности, которые проявляются совместно или изолированно;
• метричность, обеспечиваемая математическими законами построения, точностью составления и воспроизведения карты;
• наглядность, возможность зрительного восприятия пространственных форм, размеров, связей, воспроизводимых с эффектами освещения и текстуры поверхности изображаемых объектов;
• обзорность, возможность охвата обширных пространств с выделением главных элементов содержания при учете генерализации и взаимосвязей;
• возможность тематической направленности.
К электронной карте как средству, построенному на принципах цифрового моделирования и использующему ЦММ, предъявляются следующие требования:
• структурная определенность и моделепригодность;
• возможность многоцелевого использования;
• наличие набора форм представления графической информации;
• возможность построения динамических моделей и наличие анимационных свойств;
• формирование картографического изображения в интерактивном и автоматизированном режимах;
• возможность интеграции геоинформации с данными дистанционного зондирования.
Электронная карта как автоматизированная система характеризуется качественно новыми свойствами при обработке пространственной информации:
• автоматическое поддержание информационного поля в различных временных режимах;
• комплексное изображение совместно обрабатываемых априорных и оперативных данных. Например, в навигационных системах на карте-основе могут отображаться данные координирования и радиолокационная ситуация;
• оперативная селекция данных и построение изображения, синтезированного на основе послойного представления данных;
• возможность создания оригинального дизайна пользователя. Он может добавлять или убирать информацию с экрана, менять масштаб и проекцию, получать псевдообъемные, псевдоцветные и динамические геоизображения, использовать дисплейные эффекты (мерцание, изменение цвета, яркости);
• автоматическая картометрия: определение координат и направлений, расстояний и длин, площадей и объемов; построение линий уровней и поверхностей.
Системы электронных карт можно рассматривать как специализированные информационные системы, ориентированные на визуализацию картографических данных. Технологически такие системы могут функционировать независимо и образовывать некие специализированные ГИС либо входить как подсистемы в глобальные ГИС.
Хотя электронные карты как модели картографической информации относятся к классу динамических моделей, они могут создаваться в двух режимах: в режиме разделения времени (например, электронные атласы) - аналоги обычных карт и в режиме реального времени (навигационные системы).
Такие особенности электронных карт объясняются следующими факторами:
1. Обычная аналоговая карта не допускает существенного ее изменения. Это обусловлено тем, что в ее основе заложена не вариабельная статическая модель данных. В электронной карте форма и содержание визуализируемой информации варьируются неограниченно.
2. Электронная карта реализует мобильную или адаптивную модель данных, позволяющую настраивать состав, объем и форму отображаемых данных в соответствии с запросами пользователя.
3. В отличие от обычных карт ЭК представимы в различных картографических проекциях благодаря набору трансформационных методов, что создает возможность дополнительного анализа и сопоставления, т.е. повышает уровень автоматизации и производительности исследований.
Как системы реального времени ЭК нашли большое применение в морской навигации. В частности, в Японии в 1984 г. системами электронных карт было оснащено 150 торговых и 4 тыс. рыболовецких судов.
Принципы работы системы отдаленно напоминают получение радиолокационного изображения. Однако электронные карты дают более подробное и качественное изображение.
Режимы реального масштаба времени являются основой в технологиях электронных карт. Это накладывает повышенные требования к вычислительным ресурсам таких систем, а именно к компактности оборудования в сочетании с высоким быстродействием.
В отличие от многих ГИС в ЭК корректировка и визуализация данных осуществляются без прямого участия человека-оператора.
Широкое применение электронные карты находят в автотранспорте, в частности для определения местоположения движущегося транспортного средства. В настоящее время система электронных карт на автомобилях имеет мощную поддержку систем спутниковой связи.
Метод создания ЭК. Основной метод создания электронных карт - математико-картографическое моделирование содержания, нагрузки и условных знаков с использованием визуальной оценки получаемого изображения.
Технология создания электронных карт зависит от их вида; требований, предъявляемых к их точности, содержанию и условным знакам;
исходных картографических данных; снимков; структур входных/выходных информационных массивов.
Электронные карты можно сравнить с набором справочников, которые должны храниться в библиотеках (банках данных), содержать подробную информацию, занимать минимальный объем и быть доступными в кратчайший период времени.
Примером коммерческого продукта электронной карты может служить разработка фирмы ESRI Digital Chart of the World (DCW) - это цифровая карта мира (суши) в формате Arclnfo, созданная на основе тактических навигационных карт Министерства обороны США. Исходный масштаб 1:1 000 000, объем данных 1,7 Гбайта, носитель - четыре диска CD-ROM с книгой описания данных. Карта разбита на 2094 листа размером 5 х 5°. Число тематических слоев на лист: от 3 до 27 (для России в среднем 17 слоев). Существуют версии DCW для UNIX-рабочих станций и для PC. Для просмотра и работы с картой можно использовать все ГИС-пакеты ESRI.
Основными процессами технологии создания электронных цифровых карт являются:
§ подготовка исходных картографических материалов;
§ цифрование, обработка и редактирование цифровой картографической информации;
§ формирование электронных, цифровых карт для хранения в архиве и выдачи их по запросам.
Электронные карты позволяют применять интерактивный режим работы с картографическими данными, описаниями и оперативной информацией. Это создает возможность в процессе планирования или проведения исследований по картам оперативно вторгаться в процесс проектирования карты и задавать новые проектные критерии, решения или ограничивающие условия.
Особенностью электронной карты является то, что она может быть организована как множество слоев (покрытий). Слои являются типом картографических моделей, которые построены на основе объединения (типизации) пространственных объектов (или набора данных), имеющих какие-либо общие свойства или функциональные признаки. Такими свойствами могут быть:
§ принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания, подземные коммуникации, административные границы и т. д.);
§ отображение на карте одним цветом; представление одинаковыми графическими примитивами (линиями, точками, полигонами) и т. д.
В качестве отдельных слоев можно объединять данные, полученные в результате сбора первичной информации. Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя. А как известно из теории обработки данных, именно групповая обработка данных является основой повышения производительности автоматизированных систем.
Данные, размещенные на слоях, могут обрабатываться как в интерактивном режиме, так и в автоматическом. С помощью системы фильтров или заданных параметров объекты, принадлежащие слою, могут быть одновременно масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных. В других случаях (при установке других режимов) можно наложить запрет на редактирование объектов слоя, запретить их просмотр.
Многослойная организация электронной карты при наличии гибкого механизма управления слоями позволяет объединить и отобразить не только большее количество информации, чем на обычной карте, но существенно упростить анализ картографических данных путем селекции данных, необходимых для текущего рассмотрения, и применения механизма "прозрачности" электронной карты.
Анализ выводимых на экран промежуточных результатов (слоев), учет динамики исследуемого процесса (или поиска), использование правил пространственно-структурного анализа и образно-зрительных ассоциаций позволяют изменять ход обработки данных и приходить к искомому результату, не имея четкого начального плана исследования.
В будущем видеокарты можно устанавливать в городских центрах, на площадях и вокзалах, на наиболее выдающихся зданиях, гостиницах и т.п. Так, например, в вестибюле ООН можно будет получать на видеотерминале полную информацию о каждой из стран - участниц ООН: карты, отражающие географию страны, историю, культуру, экономику и т.п. Теоретически можно предположить, что будут разработаны портативные видеотерминалы для приема информации непосредственно с геостационарного ИСЗ.
Современные электронные карты используют набор возможностей мультимедиа, что придает им большую выразительность и наглядность по сравнению с обычными картами. В качестве примера можно привести поставляемый на компакт-диске 30-Atlas (abc and Electronic Arts). Система может рассматриваться для демонстрации электронных карт и как неполная ГИС для обучения. В 3D-Atlas информационная основа интегрирована на атласе мира. Система позволяет осуществлять наблюдение карт в разных масштабах и допускает трехмерную визуализацию.
Возможно перемещение над поверхностью (режим "Полет") с визуальным эффектом полета в трехмерном пространстве.
Кроме наблюдения поверхности Земли в системе имеется возможность просмотра глобальных карт: атмосферы, гидросферы, биосферы, геосферы, литосферы, часовых поясов и т.п. Система позволяет просматривать атрибуты и проводить небольшие операции анализа данных.
Обмен данными. Существует большое количество форматов векторных ЭК. Рассматривая эти форматы и способы их применения в России, можно условно выделить два подхода к обмену данными.
Первый подход заключается в применении форматов, которые описывают разные виды объектов с помощью графических примитивов, не используя системы классификации и кодирования объектов. Например, так применяется формат DXF. Он имеет простую структуру и поддерживается многими прикладными системами.
Второй подход состоит в применении системы классификации и кодирования, которая позволяет исключить описание внешнего вида объектов из файлов, предназначенных для обмена и хранения данных. Такой подход гарантирует однозначную интерпретацию объектов при конвертировании данных между этими форматами, в том числе, когда используются разные классификаторы, но их содержимое (т.е. соответствие кодов и объектов) известно.
Имеется определенная гибкость при конвертировании этих форматов в формат DXF, когда для одних и тех же объектов можно задать разные графические примитивы по требованию пользователей информации. Это обеспечивается применением таблиц, содержащих описание кодов объектов с помощью графических примитивов.