Многослойная база и примеры ее использования в экономике геоинформационных систем

Развитием методологии баз данных являются геоинформационные системы и технологии.
Пример. Когда вы знакомитесь с новым для вас человеком, то один из первых вопросов часто связан с тем местом, где он родился, где живет. По ответу - названию географического региона - вы многое можете предположить о характере и привычках нового знакомого, и этот прогноз будет не беспочвенным.

Место обитания накладывает определенный отпечаток на человека. В народной мудрости это отражается в появлении устойчивых словосочетаний: сибирский характер, южный темперамент, северная сдержанность.

Пример. Если человек из Тюменской области, то он, скорее всего, сможет многое рассказать о нефтедобыче и тайге, если из Волгоградской - об истории Сталинградской битвы и особенностях выращивания бахчевых культур.

Это лишь небольшие примеры, которые демонстрируют, что география тесно взаимосвязана с историей, экономикой, политикой, культурой, демографией, геологией и многими другими сферами научной и практической деятельности. Зная географическое положение какого-либо населенного пункта Земли, можно сделать выводы об уровне жизни населения, структуре занятости, основных экологических проблемах, исторически сложившихся традициях и пр. Существуют профессии, для которых карта - основной и часто единственный источник полной, точной и вполне достоверной информации. Это, например, штурманы, военные, строители, дорожники. Пример. Возьмем проектировщиков шоссейных дорог. Сколько расчетов и прикидок нужно выполнить им только для того, чтобы выбрать лучший вариант прокладки дороги между двумя населенными пунктами! В этих расчетах приходится учитывать и рельеф местности (крутизна подъемов и спусков), и тип грунтов, и требуемый объем земляных работ, и растительность на трассе (за порубку леса или отчуждение пашни полагается платить), и многое другое. Информацию для расчетов можно получить, или, как говорят географы, снять с крупномасштабной карты местности. Все реальные материальные объекты (реки и холмы, рощи и плотины) или события, связанные с объектом (полет самолета, изменение русла реки, разрастание города), имеют координаты на поверхно- сти Земли и их можно отобразить на карте. Известно, что карта - это очень наглядный способ описания территории. В наше компьютеризированное время было бы удивительно, если бы компьютеры не использовались и для отображения карт. С компьютерной картой, которую называют "цифровой" (или "электронной"), работать более интересно, чем с бумажной картой. Компьютерная карта имеет по сравнению с бумажной много дополнительных и полезных свойств: ее можно легко масштабировать на экране компьютера, двигать в разные стороны, рисовать и уничтожать объекты, печатать в привлекательном виде любые фрагменты территории, выбрав объект мышью, можно запросить компьютер выдать имеющуюся информацию об этом объекте и т.п.
Первое основное направление применения цифровых карт на практике - автоматизация решения сложных и громоздких вычислительных задач в проектировании и строительстве, для транспорта и связи, в экологии и чрезвычайных ситуациях, для создания кадастров земель и природных ресурсов.
Второе направление - оперативное отображение обстановки. Прежде всего это важно в военном деле, но оперативное отображение нужно не только военным. Наблюдать за постоянно меняющейся обстановкой должны диспетчеры аэропортов, сотрудники органов гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций и многие другие. С постоянно меняющейся обстановкой связано и третье направление использования цифровых карт. Речь идет об издании обычных бумажных карт. До сих пор подготовка к изданию даже не очень сложной карты была делом весьма трудоемким - требовалось вручную нанести на пластик ее изображение. Затем, при переизданиях, тем же путем вносить произошедшие изменения. Наличие цифровой карты делает этот процесс почти автоматическим. Стоит только указать, какими условными знаками изображать объекты местности, как карта будет готова к выводу. Картографу останется только подправить, подчистить (опять-таки на экране) полученное изображение.
Научить машину читать карту значит представить карту в виде, который легко и просто укладывался бы в память ЭВМ и был бы доступен анализу с помощью традиционных машинных операций. Можно поступить так же, как для обработки изображений, т.е. представить карту в виде частой прямоугольной сетки точек, каждая из которых кодируется соответствующим цветом, и заложить всю последовательность этих кодов в память ЭВМ. Казалось бы, сделать это совсем нетрудно. Но как ни бились кибернетики, научить ЭВМ анализировать совокупность разноцветных точек (ее стали называть растровой картой) именно как карту, сделать это не удалось. В сущности, проблема машинного чтения карты не менее сложна, чем одна из главных задач искусственного интеллекта - распознавание образов.

Другой путь - преобразовать карту так, чтобы она стала максимально понятной для ЭВМ. Для этого всю информацию о земной поверхности нужно было перевести из графической формы в цифровую, т.е. вместо изображения карты ввести в ЭВМ список всех изображенных на них объектов, причем каждый из них должен обозначаться кодом, характеризующим тип объекта (например, река, лес, дом, дорога), и числами, определяющими его координаты.
По способу представления координат объекты векторной карты делятся на точечные (те, которые можно представить одной парой координат), линейные (для их представления потребуется цепочка координат, определяющих траекторию объекта) и площадные (они также представляются цепочкой координат, которые определяют границу этих объектов). Какие объекты включаются в цифровые карты, целиком зависит от того, для решения каких задач создается карта.
Пример. Если вам надо найти кратчайшие дороги между городами, то для этого вполне достаточно цифровой карты, состоящей из населенных пунктов и дорог. А для обнаружения мест наиболее частых аварий городского водопровода потребуется подробная карта подземных коммуникаций.
Каждый, кто видел обычную топографическую карту, хорошо представляет себе, насколько она сложна. Как правило, один лист такой карты содержит изображения десятков тысяч объектов. И если нужна достаточно полная цифровая карта такого масштаба, то координаты их всех придется представлять последовательностями, каждая из которых, в свою очередь, может содержать тысячи многозначных чисел. Поначалу цифровые карты изготавливали с помощью планшетов-кодировщиков. Оператор как бы обводил объекты положенной на планшет бумажной карты считывающим устройством, и координаты этих объектов автоматически заносились в память машины. Чтобы создать цифровую карту таким способом, требовалось иногда до полугода работы.
Потом появились программы-векторизаторы. Помните растровые карты, о которых шла речь выше? Так вот, векторизаторы способны выделить и представить в виде последовательностей координат линии или пятна, содержащиеся на растре, а иногда и установить, что эта линия или пятно означают. Векторизаторы сняли с человека значительную часть работы, но все равно - создать цифровую карту по всем правилам может лишь человек. Сами по себе цифровые карты никакого эффекта дать не могут. Увидеть их на экране дисплея и поработать с ними можно лишь с помощью специальных программ. Комплексы программных средств, позволяющих решать прикладные задачи с помощью цифровых карт, в сочетании с наборами самих карт называются географическими информационными системами или геоинформационными системами (ГИС). Отметим, что ГИС как программное обеспечение относится к категории сложнейших.
Как осуществляется работа пользователя с геоинформационной системой? Работая с ГИС, вы выводите на экран компьютера одну или несколько интересующих вас карт (схем, планов и т.д.). Пользователь легко может менять детальность изображения, увеличивая или уменьшая отдельные элементы карты. Пример. Выбрав на карте города нужное здание, вы можете вывести его крупным планом и рассмотреть пути подъезда к зданию. Обычно имеется возможность управлять тематическим составом изображаемой информации. Пример. На карте полезных ископаемых можно "отключить" видимость ненужных в данный момент видов ископаемых ресурсов и речной сети, оставив между тем видимой дорожную сеть. Указав объект на карте, можно получить информацию о нем. Пример. Указав объект недвижимости, можно узнать его стоимость, кто является его владельцем, каково состояние объекта и пр. Выбрав находящееся поблизости промышленное предприятие, можно получить данные о его профиле, влиянии на экологию района и т.д. Ряд геометрических характеристик объектов (длину улицы, расстояние между городами, площадь лесного массива) можно измерять непосредственно на экране, пользуясь средствами ГИС.

Можно использовать ГИС как поисковую систему. В этом случае пользователь составляет запрос, в котором перечисляет интересующие его свойства объектов, а система выделяет на карте подходящие объекты. Пример. Работая с ГИС кадастра земельных ресурсов, можно потребовать показать на карте земельные участки площадью не менее 10 соток, расположенные не далее 3 км от железнодорожной стан-ции и одновременно не далее 1 км от близлежащих водоемов.
Специальные средства позволяют проводить аналитическую обработку данных, а в более сложных случаях - моделирование реальных событий. Результаты обработки также можно увидеть на экране компьютера. Пример. Специалисты могут оперативно прогнозировать возможные места разрывов на трассе трубопровода, проследить на карте пути распространения загрязнений и оценить вероятный ущерб природной среде, вычислить объем средств, необходимых для устранения последствий аварии. Наиболее сложные технологические решения включают в себя экспертную поддержку и позволяют получать на выходе обоснованное заключение, пригодное для принятия конкретных решений. Все, что пользователь видит на экране, при необходимости может быть выведено на печатающее устройство и получено в виде твердой копии, либо сохранено в виде стандартного файла изображения и использовано впоследствии в качестве иллюстрации. В определенном смысле в основе построения ГИС лежит СУБД. Однако, вследствие того, что пространственные данные и разнообразные связи между ними плохо описываются реляционной (табличной) моделью, полная модель данных в ГИС имеет сложный смешанный характер. А вот информация о свойствах объектов (называемая еще "семантической") часто представляется реляционными таблицами. Совокупность двух моделей данных, лежащих в основе представления пространственной и семантической информации в ГИС, называется геореляционной моделью. Большинство прикладных геоинформационных систем предназначены не для домашнего использования, а для работы в крупных организациях и учреждениях, коллективу которых необходимо оперативно обрабатывать большие объемы пространственной информации. В такой ситуации ГИС должна обеспечивать возможность работы с одним набором геоинформационных данных нескольким пользователям (чаще всего в пределах локальной компьютерной сети). При решении геоинформационных задач масштаба города возникает необходимость обеспечить доступ к общим пространственным и семантическим данным разных предприятий и городских служб. Решение же геоинформационных задач глобального характера возможно при использовании ГИС, размещенных не на одном, а на нескольких мощных компьютерах. В настоящее время широко разрабатываются геосистемы, использующие возможности Интернета. Использование ГИС-технологий, дает возможность:

- значительно повысить оперативность всех этапов работы с пространственно-распределенными данными, начиная от ввода исходной информации, ее анализа и до выработки конкретного решения;

- использовать для ввода и обновления информации в базе данных современные электронные средства геодезии и системы глобального позиционирования (GPS), а значит - постоянно иметь самую точную и свежую информацию;

- заручиться высокой компетенцией специалистов, разрабатывающих программное обеспечение длягеоинформационных систем (для того, чтобы использовать, например, программы расчета распространения загрязнений, не нужно иметь математического образования, хотя оно совсем не помешает).

Наиболее популярные ГИС: ArcInfo, Arcview, MGE, Geomedia, MapInfo, SICAD, Autodesk.