Применение геоинформационных систем

Геоинформационная система (географическая информационная система, ГИС) — система сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных (географических) данных и связанной с ними информации о необходимых объектах.

Понятие геоинформационной системы также используется в более узком смысле — как инструмента (программного продукта), позволяющего пользователям искать, анализировать и редактировать как цифровую карту местности, так и дополнительную информацию об объектах.

Геоинформационная система может включать в свой состав пространственные базы данных (в том числе под управлением универсальных СУБД), редакторы растровой и векторной графики, различные средства пространственного анализа данных. Применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования геоинформационных систем изучаются геоинформатикой.

Современные ГИС представляют собой новый тип интегрированных систем, которые, с одной стороны, включают методы обработки данных существующих автоматизированных систем, а с другой - обладают спецификой в организации и обработке данных

Так как в ГИС осуществляется комплексная обработка информации (от ее сбора до хранения, обновления и предоставления), их можно рассматривать со следующих различных точек зрения:

· ГИС как система управления - предназначена для обеспечения поддерж­ки принятия решений на основе использования картографических дан­ных;

· ГИС как автоматизированная информационная система - объединяет ряд технологий известных информационных систем (САПР и других);

· ГИС как геосистема - включает технологии фотометрии, картографии;

· ГИС как система, использующая БД, - характеризуется широким набо­ром данных, собираемых с помощью разных методов и технологий;

· ГИС как система моделирования, система предоставления информации - является развитием систем документального оборота, систем мультиме­диа и т.д.

ГИС широко используется в государственной сфере, сфере транспорта и коммунального хозяйства.

Для предоставления услуг населению государству очень важно получать адекватный анализ данных, чтобы своевременно и эффективно выявлять наиболее востребованные и дефицитные ресурсы.

Возможности ГИС:

· развитые аналитические функции;

· возможность управлять большими объемами данных;

· инструменты для ввода, обработки и отображения пространственных данных.

Преимущества геоинформационных систем:

· Удобное для пользователя отображение пространственных данных Картографирование пространственных данных, в том числе в трехмерном измерении, наиболее удобно для восприятия, что упрощает построение запросов и их последующий анализ.

· Интеграция данных внутри организации - геоинформационные системы объединяют данные, накопленные в различных подразделениях компании или даже в разных областях деятельности организаций целого региона. Коллективное использование накопленных данных и их интеграция в единый информационный массив дает существенные конкурентные преимущества и повышает эффективность эксплуатации геоинформационных систем.

· Принятие обоснованных решений - автоматизация процесса анализа и построения отчетов о любых явлениях, связанных с пространственными данными, помогает ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений.

· Удобное средство для создания карт - геоинформационные системы оптимизируют процесс расшифровки данных космических и аэросъемок и используют уже созданные планы местности, схемы, чертежи. ГИС существенно экономит временные ресурсы, автоматизируя процесс работы с картами, и создают трехмерные модели местности.

Операции, осуществляемые ГИС

· Ввод данных - в геоинформационных системах автоматизирован процесс создания цифровых карт, что кардинально сокращает сроки технологического цикла.

· Управление данными - геоинформационные системы хранят пространственные и атрибутивные данные для их дальнейшего анализа и обработки.

· Запрос и анализ данных - геоинформационные системы выполняют запросы о свойствах объектов, расположенных на карте, и автоматизируют процесс сложного анализа, сопоставляя множество параметров для получения сведений или прогнозирования явлений.

· Визуализация данных - удобное представление данных непосредственно влияет на качество и скорость их анализа. Пространственные данные в геоинформационных системах предстают в виде интерактивных карт. Отчеты о состоянии объектов могут быть построены в виде графиков, диаграмм, трехмерных изображений.

· определить какие объекты располагаются на заданной территории;

· определить местоположение объекта (пространственный анализ);

· дать анализ плотности распределения по территории (например, плотность расселения);

· определить временные изменения на определенной площади);

· смоделировать, что произойдет при внесении изменений в расположение объектов (например, если добавить новую дорогу).

Классификация ГИС

· По территориальному охвату:

· глобальные ГИС;

· субконтинентальные ГИС;

· национальные ГИС;

· региональные ГИС;

· субрегиональные ГИС;

· локальные или местные ГИС.

· По уровню управления:

· федеральные ГИС;

· региональные ГИС;

· муниципальные ГИС;

· корпоративные ГИС.

· По функциональности:

· полнофункциональные;

· ГИС для просмотра данных;

· ГИС для ввода и обработки данных;

· специализированные ГИС.

· По предметной области:

· картографические;

· геологические;

· городские или муниципальные ГИС;

· природоохранные ГИС и т. п.

Если помимо функциональных возможностей ГИС в системе присутствуют возможности цифровой обработки изображений, то такие системы называются интегрированными ГИС (ИГИС). Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов, обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС оперирует пространственно-временными данными.

Области применения ГИС

· Городское и региональное планирование: оценка потребностей в сетях водоснабжения и канализации, проектирование инженерных сетей, мониторинг состояния инженерных сетей и предотвращение аварийных ситуаций.

· Экономическое развитие: ГИС-приложения обеспечивает детальный анализ всех социальных, экономических и топографических особенностей, которые влияют на экономику конкретной области.

· Чрезвычайные ситуации и ликвидация стихийных бедствий: оценка и мониторинг состояния природной среды, моделирование экологических катастроф и анализ их последствий, планирование природоохранных мероприятий.

· Правоохранительные органы и силовые ведомства: планирование спасательных операций и охранных мероприятий, моделирование чрезвычайных ситуаций, стратегическое и тактическое планирование военных операций, навигация служб быстрого реагирования и других силовых ведомств.

· Нефтегазовая промышленность: геологоразведка, мониторинг технологических режимов работы нефтепровод и газопроводов, проектирование магистральных трубопроводов и т.д.

· Дороги и автомагистрали, транспорт: управление транспортной инфраструктурой и ее развитием, управление парком подвижных средств и логистика, управление движением, оптимизация маршрутов и анализ грузопотоков.

· А также образование, избирательные услуги, здравоохранение, геодезия и материально-техническое обеспечение инфраструктуры.

Геоинформационные системы тесно связаны с другими информационными системами и используют их данные для анализа объектов.

· Управление земельными ресурсами, земельные кадастры. Для решения проблем, имеющих пространственную привязку и начали создавать ГИС. Типичные задачи — составление кадастров, классификационных карт, определение площадей участков и границ между ними и т. д.

· Инвентаризация, учет, планирование размещения объектов распределенной производственной инфраструктуры и управление ими. Например, нефтегазодобывающие компании или компании, управляющие энергетической сетью, системой бензоколонок, магазинов и т. п.

· Проектирование, инженерные изыскания, планировка в строительстве, архитектуре. Такие ГИС позволяет решать полный комплекс задач по развитию территории, оптимизации инфраструктуры строящегося района, требующегося количества техники, сил и средств.

· Управление наземным, воздушным и водным транспортом. ГИС позволяет решать задачи управления движущимися объектами при условии выполнения заданной системы отношений между ними и неподвижными объектами. В любой момент можно узнать, где находится транспортное средство, рассчитать загрузку, оптимальную траекторию движения, время прибытия и т. п.

· Управление природными ресурсами, природоохранная деятельность и экология. ГИС помогает определить текущее состояние и запасы наблюдаемых ресурсов, моделирует процессы в природной среде, осуществляет экологический мониторинг местности.

· Геология, минерально-сырьевые ресурсы, горнодобывающая промышленность. ГИС осуществляет расчеты запасов полезных ископаемых по результатам проб (разведочное бурение, пробные шурфы) при известной модели процесса образования месторождения.

· Чрезвычайные ситуации. С помощью ГИС производится прогнозирование чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений, землетрясений, селей, ураганов), расчет степени потенциальной опасности и принятие решений об оказании помощи, расчет требуемого количества сил и средств для ликвидации чрезвычайных ситуаций, расчет оптимальных маршрутов движения к месту бедствия, оценка нанесенного ущерба.

· Военное дело. Решение широкого круга специфических задач, связанных с расчетом зон видимости, оптимальных маршрутов движения по пересеченной местности с учетом противодействия и т. п.

· Сельское хозяйство. Прогнозирование урожайности и увеличения производства сельскохозяйственной продукции, оптимизация ее транспортировки и сбыта.

Зарубежный и отечественный опыт показывает, что приоритетными и наиболее жизнеспособными системами являются те, которые служат информационным базисом в процессе:

· принятия решений на всех уровнях управления;

· научно обоснованного перспективного и оперативного планирования развития поселений и их отдельных территорий;

· оптимального проектирования объектов промышленного и гражданского назначения;

· разработки генерального плана города и контроля за его реализацией;

· изучения состояния экологических, социально-экономических, природно-ресурсных условий территорий и их экономической оценки;

· совершенствования функций учета и рационального использования городских земель и недвижимости (зданий и сооружений);

· − получения достоверной информации о местоположении и эксплуатации инженерных сетей городского коммунального хозяйства;

· реализации рационального налогообложения, взимания платежей за загрязнение окружающей среды, использование природных ресурсов и недвижимого имущества;

· охраны прав собственности на объекты недвижимости и различные природные ресурсы.

Структура ГИС

Функционирующую ГИС можно представить в виде системы, где основными ее элементами являются: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, пользователи и методы.

Аппаратные средства можно представить в виде системы, включающей средства ввода (дигитайзер, сканер, фотоаппарат и т.д.) и средства вывода (плоттер, монитор, проектор и т.д.), хранения информации, где возможен запуск ГИС. Современные ГИС работают практически на всех типах компьютерных платформ.

ГИС становится неотъемлемым средством изучения поверхности Земли и расположенных в ее пределах подземных, наземных и надземных объектов. Сфера применения геоинформационных систем непрерывно расширяется. Поэтому сложно перечислить все области использования ГИС, поскольку их возможности практически безграничны.

2.2 Порядок создания геоинформационной системы на примере ГИС «Историко-культурный опорный план города Москвы»

В целях повышения эффективности использования и распоряжения объектами культурного наследия народов Российской Федерации, а также обеспечения их сохранности по заказу Правительства города Москвы и Комитета по культурному наследию города Москвы (Москомнаследие), был реализован проект по созданию единой информационной системы по недвижимым объектам историко-культурного наследия, прилегающей территории, зонам охраны, градостроительным элементам и сооружениям, представляющим собой историко-культурную ценность, получившей название «Историко-культурный опорный план города Москвы» (далее ИКОП МСК).

Кроме того, целями создания ИКОП МСК были:

· оперативное отображение на карте актуальных сведений о границах, режимах содержания и использования объектов, подлежащих регистрации или учету в Городском реестре недвижимого культурного наследия;

· отображение на карте актуальных сведений аналитического и информационно-справочного характера, необходимых для информационного обеспечения государственной охраны, сохранения, использования и популяризации недвижимого культурного наследия в городе Москве;

· информирование участников градостроительной, инвестиционной, землеустроительной и иной хозяйственной деятельности об ограничениях, связанных с недвижимым культурным наследием, его территориями и объектами, к которым относятся музеи-заповедники и их территории, исторические территории города Москвы, земельные участки, имеющие особое историко-культурное значение, и т.д.

Информационная система (ИС) ИКОП МСК решает следующие задачи:

· хранение и отображение пространственной и атрибутивной информации об объектах ИКОП МСК;

· организация поиска информации об объектах ИКОП МСК;

· организация хранения истории по изменениям объектов ИКОП МСК;

· подготовка отчетов об объектах ИКОП МСК и др.

К базовым функциональным возможностям системы относятся:

· оперативное определение местоположения объектов ИКОП МСК;

· формирование координатных ведомостей в формате XML для объектов ИКОП МСК;

· занесение координат объекта в БД посредством XML, ручным вводом координат или прорисовкой объекта в среде Autodesk MapGuide;

· прорисовка контуров объектов ИКОП МСК по координатам, занесенным в БД одним из доступных способов;

· динамическое отображение ситуационного плана объекта на основе сведений о координатах объекта;

· конвертация слоев между форматами DWG и SDF на основе сведений о текущих координатах объекта;

· построение пользовательских слоев и объектов;

· гибкий показ ГИС-символики, включая разнообразные стили для каждого объекта;

· визуальное отображение графических карт и вывод графической и текстовой информации

· формирование и вывод различных отчетов.

Помимо базового набора функциональных возможностей, в ИКОП МСК реализован следующий дополнительный функционал:

· обновление информационно-справочных слоев ИКОП МСК, включая возможность конвертации сведений из других форматов;

· публикация в Интернете данных в виде интерактивного документа с картографической информацией;

· отображение результатов мониторинга недвижимого культурного наследия, включая формирование аналитических слоев на основе текущих данных таблиц результатов мониторинга и привязку к объектам фактографических данных с возможностью последующего их просмотра;

· подготовка официальной документации, по историко-культурной оценке, территории охранных зон и земельных участков, по объектам исторического некрополя и т.д.;

В качестве базовой информации в ИС ИКОП МСК применяются сведения:

· Городского реестра недвижимого культурного наследия;

· Единой государственной картографической основы (ЕГКО) города Москвы;

· административно-территориального, кадастрового, квартального, исторического и иного деления территории города Москвы;

· адресного реестра зданий и сооружений города Москвы;

· иных информационных ресурсов базового характера.

С самого начала предполагалось, что ИС ИКОП МСК должна быть построена на современной платформе, обеспечивающей высокую отказоустойчивость, развитие и масштабируемость. Именно поэтому разработка осуществлялась с помощью современных информационных технологий:

· Интернета, как среды для построения наиболее рентабельных решений для коллективной работы в распределенной информационной системе (в том числе и мобильных);

· ActiveX / COM / ColdFusion;

· СУБД MS SQL Server, обеспечивающей создание единого хранилища данных об объектах ИКОП МСК и обладающей высокими параметрами масштабируемости, расширяемости и надежности;

· инструментальной ГИС, обеспечивающей сбор, хранение и распространение данных, функциональную расширяемость и гарантированную модернизацию.

В целях обеспечения полной методической, информационной и технической совместимости разрабатываемых подсистем в качестве основного программно-инструментального средства был выбран пакет MapGuide Server компании Autodesk. Для массового оснащения автоматизированных рабочих мест разработчиков и пользователей использованы полностью совместимые с технологиями Autodesk ГИС-средства Autodesk MapGuide Author, Autodesk MapGuide View и Autodesk Map.

Пользовательский интерфейс позволяет осуществлять:

· создание, редактирование и удаление пользователем графических объектов;

· навигацию по карте;

· работу со слоями карты;

· поиск объектов по атрибутам;

· динамическое задание масштаба карты;

· формирование разнообразных отчетов;

· переход в информационную карточку объекта, где содержится атрибутивная информация по объекту;

· формирование аналитических слоев по результатам выборок и поиска;

· фильтрацию показа на карте исторических объектов на основании данных по мониторингу;

Таким образом, реализация проекта позволила решить следующие задачи:

· систематизирована вся имеющаяся информация по историко-культурному опорному плану города Москвы;

· создан механизм внесения, редактирования и анализа данной информации;

· сформирована единая информационная среда по недвижимым объектам историко-культурного наследия, прилегающей территории, зонам охраны, градостроительным элементам и сооружениям, представляющим историко-культурную ценность;

· создан инструмент мониторинга и контроля состояния объектов недвижимого историко-культурного наследия города Москвы;

· получен многопользовательский доступ к информации об объектах недвижимого историко-культурного наследия города Москвы.

В июне 2007 года ИС ИКОП МСК принята в промышленную эксплуатацию. В ближайшем будущем планируется создать и добавить в систему трехмерные модели объектов культурного наследия, тем самым дополнив функциональность ИС ИКОП МСК механизмом добавления 3D-моделей исторических мест. По мнению специалистов, реализация данного механизма позволит получать реальное представление об объектах культурного наследия и оценивать их текущее состояние, что будет иметь большое практическое значение для контроля состояния, своевременной реконструкции и сохранения этих объектов.