Геоэкологических исследований
В.Ю. ТРЕТЬЯКОВ
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
(ГИС)
Методическое пособие
 |
Санкт-Петербург
УДК 91(075.8)
ББК 26.8я73
Т66
Рецензенты: докт. геогр. наук Г.К. Осипов (НИО-3 ЗАО «Институт телекоммуникаций»),
докт. геогр. наук В.А. Шелутко (Российский государ-
ственный гидрометеорологический университет)
Печатается по решению
Ученого совета Учебно-научного центра
географии и геоэкологии
Санкт-Петербургского государственного университета
Третьяков В.Ю.
Т66 Геоинформационные системы (ГИС):Метод. пособие. –СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2005. – 16 с.
ISBN 5-288-03635-7
В пособии изложены понятия, связанные с геоинформационными системами (курс лекций «Геоинформационные системы» для студентов 4-го курса специальностей геоэкология и природопользование) и рассмотрены методы их применения для компьютерной обработки геоэкологической информации.
Пособие предназначено для студентов географических факультетов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям “Геоэкология”, “Природопользование”, “География” и направлению “Экология и природопользование”.
ББК 26.8я73
© В.Ю. Третьяков2005
© Факультет географии и геоэкологии
Санкт-Петербургского государственного
ISBN 5-288-03635-7 университета, 2005
ГИС КАК ИНСТРУМЕНТ
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Это методическое пособие ни в коем случае не может заменить специализированную литературу по проблематике ГИС и, тем более, по применению конкретных программных пакетов. Объем пособия позволяет добиться лишь самой скромной цели: разъяснения будущим специалистам в сфере геоэкологии, природопользования и, возможно, других географических направлений, предоставляемых геоинформационными системами (ГИС) возможностей.
Очевидно, что любой объект можно рассматривать с двух точек зрения: из чего он состоит (подход Демокрита, если вспомнить философию), и как он взаимодействует с другими объектами (Платона). Пользователям компьютерных систем, которыми являются ГИС, естественно, интереснее второй подход: выяснить, для каких целей они могут применяться. Членение же на отдельные части интересует с точки зрения функциональных блоков, а не структуры программных пакетов.
Научно-технический прогресс привел к парадоксальной на первый взгляд ситуации: недостаток информации при избытке данных: их слишком много, чтобы обработать традиционными способами. Выход заключается в компьютеризации обработки данных: все операции, которые можно формализовать, следует поручать компьютерам. Разумеется, компьютер не может думать, как человек, всё, что он умеет – это сравнивать значения, складывать и вычитать. Все самые сложные компьютерные программы, в конечном счете, то есть на уровне исполняемых машинных кодов состоят именно из последовательностей этих действий. Но их компьютер выполняет очень быстро, неизмеримо быстрее, чем человек. Так, только появление ЭВМ позволило осуществлять управляемые космические полёты, хотя необходимый для этого математический аппарат был уже давно разработан. В геоэкологии и географии в целом только применение компьютерных технологий может помочь справиться с объёмами данных, поставляемых системами автоматизированных измерений и дистанционного зондирования.
Особенность данных, используемых в комплексе естественных наук о Земле, заключается в их географической привязке. Конечно, возможны редкие исключения, когда, например, рассматривается биосфера в целом или абстрактная обобщенная экосистема. В большинстве же случаев в геоэкологии рассматриваются объекты, локализованные где-либо в пределах биосферы. Объект – это часть реального мира, которая в данном случае рассматривается как единое целое, его свойства относятся к нему в целом, как, например, имя человека. Разумеется, в другом случае этот объект может рассматриваться как часть более крупного объекта или быть расчленён на более мелкие. В географии это, например, иерархические ландшафтные структуры (фация, урочище, ландшафт и т.д.), в геоэкологии – геосистемы различных рангов. Относящаяся к любому географическому или геоэкологическому объекту первичная информация подразделяется на позиционную и семантическую. Первая определяет, где расположен объект, вторая – его характеристики. Вообще семантика – раздел математической логики, рассматривающий мироздание с позиций математической лингвистики. Семантическое направление в теории информации исследует смысловое содержание данных. Вместо термина семантическая часто применяется термин атрибутивная информация. ГИС – это компьютерные системы, при помощи которых осуществляется обработка и позиционной, и семантической информации.
Исторически ГИС произошли от СУБД (систем управления базами данных). Их появление произошло в 60-е годы ХХ-го века в Канаде и Швеции, когда в базы данных землеустройства начали вводить информацию о местоположении объектов. Далее наличие в компьютерных системах функциональных блоков визуализации и обработки позиционной информации, т.е. работы с компьютерными (электронными) картами как раз и служило признаком принадлежности системы к ГИС. В последнее время это различие между ГИС и СУБД стирается: в традиционных СУБД появляются возможности работы с электронными картами. Для хранения семантической информации в современных ГИС используется реляционная модель баз данных: характеристики каждого объекта записаны в отдельной строке (записи) таблицы. Каждый параметр записывается в таблице в отдельный столбец (поле).
Электронная карта имеет ряд неиспоримых преимуществ перед бумажной: она не подвержена физическому износу, легко копируется на различные носители (жёсткие диски, дискеты, CD и DVD диски), средствами ГИС возможно изменение её масштаба, картографической проекции и системы условных обозначений (легенды). Разумеется, электронные карты характеризуются масштабом, соответствующим уровню их генерализации. Дальнейшее увеличение масштаба является чисто формальным, т.к. степень детализации пространственных объектов остаётся прежней. Пользователь может бесконечное число раз редактировать как пространственные объекты, так и их семантические характеристики, при этом внешний вид карты не ухудшается. В любой момент электронную карту легко напечатать (создать твердую копию на бумаге). Фактически уже на бумажных картах информация тематически сгруппирована по слоям: каждый слой имеет свою систему условных обозначений. Например, слой дорог, населенных пунктов, рек и т.д. Компьютерные карты также состоят из слоёв информации (Layers), кардинальное отличие от бумажной карты заключается в том, что слои можно делать видимыми и невидимыми, а также изменять порядок их наложения друг на друга, «тасовать», как если бы они были нарисованы на прозрачных плёнках. Различные слои электронной карты обыкновенно имеют в качестве источников информации различные файлы и файловые структуры. Однако возможно использование различными слоями одного и того же источника данных. В этом случае, разумеется, пространственные объекты обоих слоёв совпадают, но отображаются на карте различными системами условных знаков (легендами). Это применяется, когда необходима визуализация разных семантических характеристик одних и тех же объектов. Кроме тематической классификации, послойная группировка объектов зависит от их мерности: точечные объекты принадлежат одному слою, линейные – другому и т.д.
На бумажных картах обычно имеется много надписей. На компьютерных картах также можно располагать графику: надписи и значки и редактировать их. В любой момент графические объекты могут быть удалены с карты. Надписи на электронной карте могут либо вводиться пользователем с клавиатуры или являться визуализацией принадлежащей пространственным объектам семантической информации.
Карта отличается от рисунка тем, что с её помощью можно выполнять картометрические операции: определять координаты объектов, расстояния и площади. При использовании бумажной карты точность результатов сильно зависит от качества бумаги, применяемых инструментов (измерителей, курвиметров, палеток, планиметров) и квалификации лица, выполняющего измерения. В ГИС картометрические операции выполняются компьютером путём расчетов по координатам пространственных объектов. Естественно, точность результатов здесь несравненно выше. Расчёты могут выполняться как на плоскости определённой картографической проекции, так и на поверхностях аппроксимирующих Землю сферы или эллипсоида вращения. В любой ГИС необходимо наличие блока картометрических операций. Вставка рисунка карты в документ Microsoft Word отнюдь не превращает его в геоинформационную систему, т.к. в текстовом редакторе нет инструментов для выполнения картометрических операций.
Зачастую ГИС определяют как компьютерные системы для создания электронных карт. Это в принципе неверно. Действительно, средства современных ГИС позволяют создавать компьютерные карты очень высокого качества. Однако непосредственно для создания топографических и географических карт служат специализированные компьютерные картографические системы (Mapping systems). Другим «родственником» ГИС являются системы автоматизированного проектирования (САПР). Их англоязычное название: CAD – Computer Aided Design. Профиль их применения – создание компьютерных чертежей. Первоначально они не обладали возможностями применения картографических проекций. Теперь они появились, однако ни САПР, ни картографические системы не обладают возможностями обработки и анализа семантической информации, которыми обладают ГИС. Таким образом, основное назначение ГИС - это обработка и анализ пространственно-координированной информации, т.е. семантических характеристик, относящихся к пространственным объектам. В соответствии со значениями семантических параметров пространственные объекты могут объединяться, создаваться новые пространственные объекты и т.д. ГИС могут использоваться в качестве информационно-справочных систем, позволяющих выполнять поиск пространственных объектов по их семантическим характеристикам.
Современный уровень техники позволяет автоматизировать процесс получения первичной информации при помощи дистанционного космического зондирования и автономных измерительных приборов. Результаты подвергаются аналого-цифровому преобразованию, затем по каналам связи поступают в компьютерную базу данных. Компьютерная система, осуществляющая автоматизированный сбор, хранение и обработку данных называется информационно-измерительной системой. Это система может быть отдельным блоком ГИС, но её наличие совершенно не обязательно для любой ГИС. Существуютинтегрированные ГИС, в которые входит блок автоматизированного распознавания космических снимков.
Создание топографических и общегеографических карт - область деятельности специалистов-картографов. Геоэколог использует эти карты, для того, чтобы отображать на них экологическую информацию. Он при этом может создавать новые пространственные объекты, отражающие экологическую обстановку, например, зоны различных степеней загрязнения окружающей среды. Возможны ситуации, когда необходимо нанести на карту новый пространственный объект, например, возникшую незаконную свалку. Однако взгляды на карту картографа и геоэколога различны. Для картографа она – конечный продукт его профессиональной деятельности. Для геоэколога – средство получения нового знания. Уже сама карта является моделью земной поверхности или какой-либо части географической оболочки. Как известно, модель объекта – это такой его заместитель, изучение которого позволяет получить новое знание о реальном объекте. При этом путем непосредственного изучения реального объекта это знание получить либо принципиально невозможно, либо это требует колоссальных затрат. Объекты окружающей среды характеризуются множеством параметров. Оценка состояния окружающей среды требует моделирования состояния объектов: получения по множеству отдельных характеристик интегрального (комплексного, сводного) показателя. Например: интегральный показатель загрязнения среды, устойчивости экосистемы к определенному антропогенному воздействию, комфортности проживания и т.д. Расчет значений интегрального показателя возможен как в среде ГИС (для этого пользователь должен написать ГИС-приложение, т.е. компьютерную программу, реализуемую в данной ГИС), так и вне ГИС. В обоих случаях ГИС служит источником данных и средством визуализации результатов. Важная роль в диагностике и прогнозировании состояния геосистем принадлежит имитационным моделям функционирования экологических систем. Эти модели могут входить в состав ГИС в качестве отдельных программных блоков. Также они могут являться внешними по отношению к ГИС компьютерными программами, получающими из ГИС исходные данные и возвращающими в неё результаты модельных расчетов. Для обеспечения мониторинга состояния окружающей среды и оптимизации природопользования весьма перспективно применение интегрированных систем, совмещающих информационно-измерительную систему, ГИС и имитационную модель. Например: информационно-измерительная система постоянно отслеживает содержание загрязняющих веществ в стоках предприятий и пунктах мониторинга, уровень воды в водотоках и водоёмах. Эта первичная информация передаётся имитационной компьютерной модели, которая рассчитывает перенос и трансформацию субстанций в речной системе. Результаты расчётов визуализируются средствами ГИС. В любой ГИС можно выделить ее стандартное ядро: программный пакет, разработанный одной из крупных фирм по производству программного обеспечения. Программные пакеты состоят из исполняемых программных файлов и вспомогательных файлов, в которых записана какая-то необходимая для работы данной компьютерной системы информация. Примерами программных пакетов являются текстовые и графические редакторы (Word, Photoshop), дисковые операционные системы (Unix, Windows) и т.д. Программное ядро ГИС, называемое также стандартной ГИС как раз и является программным пакетом. Мировыми лидерами разработки стандартных ГИС являются несколько американских фирм: Intergraph, ESRI, MapInfo и др. В настоящее время ими монополизирован мировой рынок программного ГИС-обеспечения, они диктуют форматы представления данных. Поэтому при создании конкретной ГИС необходимо подготовить нужные данные в соответствующих требованиям этой стандартной ГИС форматах. Затем эти данные необходимо обработать и проанализировать. В стандартных ГИС содержатся различные возможности обработки и анализа, в некоторых - даже моделирования. Эти операции можно выполнять путем диалога пользователя с машиной. Этот диалог осуществляется при помощи системы экранных меню, которая называется интерфейсом пользователя.
Однако далеко не все возможности ГИС представлены в интерфейсе пользователя. С другой стороны, обычно стандартные ГИС не снабжены возможностями специализированного анализа, например, гидрологического, экологического и т.д. Производители ГИС-обеспе-чения предоставляют пользователям возможность доукомплектования ГИС фирменными модулями, реализующими специализированные виды анализа данных и блоки моделирования. С другой стороны, пользователи производят анализ и моделирование по собственным методикам. Поэтому специализированный анализ в ГИС реализуются путём создания специальных программ - ГИС-приложений самими пользователями. Для анализа и моделирования экологических процессов, или хотя бы для разработки собственного интерфейса необходимо создавать компьютерные программы. Это реализуется при помощи встроенного в стандартную ГИС внутреннего языка создания ГИС-приложений или таких широко распространённых алгоритмических языков, как Visual Basic for Application. Разработка стандартных ГИС - дело многочисленных коллективов профессиональных программистов специализированных фирм. Однако эти программисты не имеют экологического образования и не знают специфики задач, для решения которых разрабатывается конкретная ГИС. Поэтому разработка ГИС-приложений или участие в их создании совместно с программистом-профессионалом - дело специалиста-геоэколога.
Особое направление компьютерного моделирования: разработка экспертных систем. Это компьютерные системы, использующие знания из какой-либо предметной области для решения возникающих в ней задач. Компьютер в них выступает в роли эксперта, ведущего диалог с заинтересованным лицом, поставляющим необходимые сведения по конкретному вопросу. Экспертные системы анализируют смысл данных. Они должны уметь разъяснять пользователю путь получения сделанных выводов. В этом плане они смыкаются с обучающими компьютерными системами. Экспертные компьютерные системы могут входить в ГИС в качестве отдельных блоков, а могут быть реализованы независимо от ГИС, получая от последних необходимую информацию.
При разработке конкретной ГИС пользователь подключает к ней источники данных (файлы и их структуры), определяет внешний вид электронных карт, легенды, интерфейсы, создаёт необходимые программы (ГИС-приложения) и т.д. Все эти настройки во время работы записываются в специальных хранящихся в памяти компьютера объектах. При завершении сеанса работы эти объекты записываются на диск в отдельные файлы. В ГИС ArcView объекты настроек называются проектами, в ArcGIS – документами карт, в MapInfo – рабочими наборами.
Существуют различные определения ГИС. Согласно официальному определению ГИС-Ассоциации России (неправительственной организации, занимающейся координацией действий по распространению ГИС), географическая информационная система - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных. В учебном пособии «Основы геоинформатики» под. ред. В.С. Тикунова (2004) приводятся два определения. Краткое: «ГИС – информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлений». Даётся и более развёрнутое определение: «под географической информационной системой будем понимать аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой территориальной организацией общества». Можно предложить более короткое определение ГИС, отражающее все аспекты их применения: «ГИС – это компьютерные системы, предназначенные для сбора, хранения, дополнения, обработки, анализа, моделирования, визуализации пространственно-координированной информации, а также проведения экспертиз при принятии управленческих решений». Термин «ГИС» приложим и к стандартному программному пакету, и к созданной на его основе конкретной компьютерной системе, осуществляющей обработку и анализ определённой пространственно-координированной информации.