§ 18-19. Особенности геоинформационных методов и ГИС-технологий, их связи с другими науками и отраслями производства

Цель обучения: 11.2.2.2 – объяснять особенности геоинформационных методов и геоинформационных систем (ГИС) технологий, их связи с другими науками и отраслями производства.

ГЕОИНФОРМАТИКА • АЭРОФОТОСЪЕМКА • ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА (ГИС) • ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА • КОМПОНЕНТЫ ГИС •
• ​СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ (СУБД)

Что такое ГИС

   Что означает информатика, геоинформатика?
   В каких областях знаний можно применить геоинформационный метод?
   Как вы на практике применяете этот метод?

   В 10 классе на уроках географии Вы уже знакомились с основными особенностями геоинформационного метода.
​   Информация, которую собирали мореплаватели, географы и топографы для составления карт земной поверхности, всегда имела огромное практическое значение.
   ​Существуют карты разного типа. Если топографические карты являются картами общего назначения, то тематические карты создаются для решения более специальных задач, связанных с различными аспектами человеческой деятельности. Появление аэрофотосъемки и методов дистанционного зондирования позволило создавать тематические карты больших участков земной поверхности с высокой точностью. Для работы с большими объемами данных и анализа их пространственных вариаций были необходимы новые инструменты, которые позволяли бы использовать статистические методы и методы анализа временных рядов. 

Такие инструменты были разработаны после того, как в картографии стали применять компьютеры. Ученым пришлось создать целый набор мощных средств для сбора, хранения и анализа пространственных данных, используемых в различных областях знаний. Этот набор и составляет то, что сегодня мы называем географической информационной системой (ГИС).
   ​Географическая информационная система – не просто средство кодирования, хранения и извлечения данных о свойствах земной поверхности. ГИС позволяет анализировать и обрабатывать эти данные в интерактивном режиме, а также анализировать тенденции и прогнозировать результаты принимаемых решений.
   В названии «географическая информационная система» содержатся два понятия: «география» и «информационная система». Понятие «география» с греческого языка означает «описание Земли».​

Важной задачей, стоящей перед географом, является изучение закономерностей между определенной территорией и результатами человеческой деятельности. Основным источником информации при этом является карта – графическое представление того или иного явления, наблюдаемого на небольшом участке земной поверхности или на всей Земле. Понятие «информационная система» – это последовательность операций, начинающихся с планирования исследований и заканчивающихся использованием полученной информации для принятия тех или иных решений.
   ​ГИС – это информационная система, которая предназначена для работы с данными, имеющими привязку к пространственным или географическим координатам. ГИС является одновременно и базой пространственных данных, и набором средств, необходимых для их обработки (схема 1).

Определений ГИС, которые имеются в научной литературе, много:
   ​1. «Система управления базами данных, обеспечивающая обработку запросов, относящихся к географии».
   ​2. «Компьютеризованная система, предназначенная для сбора, хранения, извлечения, анализа и отображения пространственных данных в какой-либо организации».
   ​3. «Мощный набор средств для сбора, хранения, извлечения и отображения пространственной информации о реальном мире».
   ​4. «Объединение компьютерного аппаратного и программного обеспечения, географических данных и действий специалистов для эффективного сбора, хранения, обновления, обработки, анализа и отображения любой информации, имеющей географическую привязку».

   Последнее определение одно из наиболее точных. В нем содержится требование к квалификации персонала, который должен иметь все необходимые навыки для работы с географической информационной системой и формировать по запросам пользователей необходимые карты, таблицы и графики на основе той информации, которая распределена по различным слоям ГИС. Ко всему можно отметить, что ГИС является результатом объединения множества различных технологий обработки данных (рис. 33).

   Геоинформатика – наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных технологий, по приложению ГИС для практических и научных целей.

Упрощенная схема работы информационной системы

Схема 1

Рис. 33. Объединение различных методов и технологий обработки данных в ГИС

Компоненты ГИС

   Для работы ГИС необходимы следующие составляющие:
   ​1. Рабочая станция с установленной операционной системой и периферийными устройствами.
   ​2. Специальное программное обеспечение.
   ​3. Пространственные данные.
   ​4. Система управления данными и средства их анализа.
   ​5. Квалифицированный персонал.

Это интересно

   Рабочая станция и операционная система
   ​Компоненты рабочей станции ГИС представлены на рис. 34. Для записи и хранения данных используются жесткий диск компьютера и магнитные ленты. Оцифровка графической информации и ее ввод в базу данных ГИС осуществляется с помощью устройства дигитайзера. Еще одно устройство оцифровки – сканер. Для вывода цифровых данных в графической форме используется плоттер. Монитор, клавиатура, компьютерная мышь – интерфейсные устройства, для управления системой оператором. Для печати отчетов, таблиц, графиков и др. документов используется принтер. Центральный процессор служит для выполнения расчетов и управления различными компонентами компьютера. 

Операционная система – главная программа, предназначенная для управления файлами, периферийными устройствами и компьютером рабочей станции. С помощью программ, работающих под управлением операционной системы, инструкции и запросы пользователей переводятся с естественного языка на машинный. Результаты компьютерной обработки этих запросов – с машинного языка на естественный.
   ​Специальное программное обеспечение
   ​В состав программного обеспечения ГИС входит набор модулей для оцифровки и векторизации изображений, объединения, редактирования, преобразования и анализа данных, передачи их по сети, обработки запросов пользователей и вывода результатов этой обработки на внешние устройства.

   ​Пространственные данные
   ​Пространственные данные характеризуются местоположением и непространственными признаками (т. н. атрибутивные данные). Программное обеспечение ГИС ориентировано на работу именно с такими данными. Для пространственной привязки данных необходимо выбрать удобную координатную систему, позволяющую использовать их для различных задач в течение длительного времени. Традиционным способом представления географической информации в ГИС являются тематические слои. Для отображения данных используется также другое представление – в виде отдельных объектов. В обоих случаях все географические объекты сохраняются в базе данных ГИС в виде точек, линий или площадных объектов – полигонов.

   ​Управление данными и процедуры их анализа.
   ​Дорогостоящей частью любого проекта ГИС является ввод и обновление пространственных и атрибутивных данных, а также установление связей между ними. Для выполнения всех этих операций, включая преобразование исходных данных в формат ГИС, требуется время. К задачам управления данными в ГИС относятся хранение данных, организация их структуры и извлечение нужной информации средствами системы управления базами данных (СУБД). Последняя должна позволять работать сразу нескольким пользователям с несколькими базами данных, предоставлять возможность их обновления и устранять избыточность информации.

   СУБД также должна обеспечивать сохранность и целостность данных, независимость данных от способа их представления.
   ​К процедурам анализа данных в ГИС относятся: а) запись данных и их извлечение по запросам пользователей; б) формирование запросов об определенных характеристиках объектов; в) прогнозирование и моделирование физических процессов. Тип выходных данных ГИС зависит от ценовых ограничений, категории пользователей и устройств вывода.
   ​Персонал, работающий с ГИС.
   ​Для осуществления любого проекта ГИС необходим квалифицированный персонал, способный спланировать и установить систему, а затем использовать ее для 

решения задач проекта. ​Важным требованием является умение принимать правильные решения по результатам анализа данных. Результат применения ГИС зависит от умения и опыта персонала, задействованного в данном проекте.

По материалам информационных порталов.
Рис. 34. Компоненты рабочей станции и периферийное оборудование ГИС

Ввод данных в ГИС   

   Под вводом данных в ГИС понимают все этапы сбора пространственных и атрибутивных данных. Источниками пространственных данных являются карты, аэрофотоснимки, космические снимки, результаты полевых исследований и т. д. (рис. 35). Пространственные и атрибутивные данные, представленные в аналоговой форме, сначала преобразуют в стандартный цифровой формат с помощью дигитайзера или сканера, а затем записывают в память компьютера. Для управления данными используется СУБД ГИС, с помощью которой проводится анализ данных и формируются результаты этого анализа в форматах, необходимых пользователям.

Рис. 35. Ввод данных в ГИС

Выходные данные ГИС

   Данные для ГИС собираются из различных источников и изначально могут быть представлены в самых разных форматах. В отношении конечной продукции ГИС важно подчеркнуть, что работающий с этой системой оператор должен хорошо знать все варианты представления выходных данных, реализованные в программном обеспечении. Краткое обсуждение различных типов выходных данных ГИС приводится ниже.
   ​Чаще всего выходные данные ГИС предоставляются пользователям в виде карт. Карты, являющиеся двумерными моделями тех или иных частей земной поверхности, различаются по своему типу.
   Широко распространены следующие типы карт.​
​   
Тематические карты служат для отображения пространственных вариаций одного из параметров (например: заселенности территорий) или соотношения между различными параметрами (например: карты «земных покровов»).

   Картограммы обычно используют для сравнения относительных значений непрерывно распределенных параметров в пределах заданных границ (например, среднегодовой доход на душу населения в зависимости от страны). Для отображения различий между областями на таких картах широко используют цвет и штриховку.
   ​Дасиметрические карты (карты плотности) используют для тех территорий, которые являются относительно однородными по изучаемому признаку (например: карта территории с одним классом поверхностных объектов). Различия в значении исследуемого параметра на таких картах также отображаются цветом и штриховкой.
   ​Карты изолиний, то есть линий одинаковых значений параметра. Они позволяют наглядно представить информацию о градиентах. Изолинии можно использовать для отображения топографии региона или для представления данных о распределении зон высокого и низкого давления.

   Для решения специальных задач используют следующие карты.
   ​Карты точек, на которых пространственные вариации какой-либо величины, например, расселения, характеризуются разным числом одинаковых точек.
   ​Карты векторов, на которых отображаются направление и величина планируемого или существующего потока (например, транспортные карты, на которых показаны пункты отправления и доставки, а также объем грузов, перемещаемых из одной страны в другую).
   ​Объемные карты рельефа, на которых участок земной поверхности показан так, как он был бы виден при аэрофотосъемке под некоторым углом.
   ​Видеокарты – вид карт, который используется в основном для отображения какого-либо явления в динамике (например, роста численности населения и площади города во времени).
   Некоторые пользователи ГИС предпочитают, чтобы результаты​ анализа данных были представлены не на карте, а в виде графиков и диаграмм.

Наиболее широко используемые типы графиков

   Столбчатая диаграмма используется для иллюстрации различий в атрибутивных данных у объектов разного типа (например, эффективность использования земель в зависимости от времени для городских, пригородных и сельских территорий).
   ​Секторная диаграмма представляет собой разделенный на секторы круг и используется для наглядного представления каких-либо пропорций (например, процентной доли городского, пригородного и сельского населения в стране).
   ​Диаграмма рассеяния применяется для того, чтобы показать, как один

атрибутивный параметр зависит от другого (например, урожай от вида удобрений).
   ​Гистограммы  характеризуют распределение значений атрибутивного параметра по различным диапазонам (например, процент учащихся в начальной и средней школе, колледжах и высших учебных заведениях).
   Иногда пользователям требуется рассчитать такие статистические оценки, как среднее, медиана, дисперсия, стандартное отклонение, максимальное и минимальное значения атрибута. Эту информацию им можно предоставить в виде таблиц и отчетов.​

Области применения ГИС

   Географические информационные системы используются для решения задач управления и планирования, связанных с анализом большого количества географических данных, частью которых являются так называемые позиционные данные. Позиционные данные могут характеризовать настоящее, прошлое или будущее местоположение объектов. Иными словами, эти данные необходимы для решения задач, связанных с географическим пространством.

   Примеры некоторых из таких задач:
   1. Управляющий лесным хозяйством хочет оптимизировать работы по возобновлению строевого леса на основе данных о почвах и текущего резерва леса при наличии определенных технических ограничений.
   ​2. Геолог должен определить место будущего расположения дамбы по результатам анализа сейсмичности и геологических структур в регионе.
   ​3. Специалисту по геоинформатике необходимо определить места расположения ретрансляционных станций его компании с учетом особенностей топографии, цен на земельные участки и других данных.
   ​Область применения ГИС безгранична, поскольку эти системы необходимы для решения задач управления и планирования, которые встречаются в любой сфере 

деятельности человека, от гражданского строительства и городского планирования до мониторинга окружающей среды и различных научно-практических исследований.
   ​ГИС используют для изучения как природных, так и антропогенных явлений. Например: для решения задач городского планирования необходимо глубокое понимание связи между расселением и такими элементами инфраструктуры, как дорожные развязки, школы, больницы, посты милиции и т. п. В то же время предметом изучения геоморфологии, почвоведения, экологии и других наук являются природные объекты и явления (например: горные породы, распределение почв и движение тектонических плит).
   ​ГИС применяют и для совместного исследования антропогенных и природных явлений, в частности, для 

изучения антропогенного влияния на природную среду при строительстве больших промышленных объектов. Можно также упомянуть такие области применения ГИС, как анализ осуществимости проектных решений (например, оценка пригодности площадки для строительства) и моделирование эрозии почв.

Это интересно!

   Достижения Казахстана в области применения ГИС-технологий
   ​С обретением независимости в Казахстан, как и другие страны постсоветского пространства, начали все шире проникать настольные компьютеры, а с ними и новые компьютерные технологии. По мере развития рыночных отношений, налаживания более тесных связей с мировой экономикой общество постепенно эволюционировало и пыталось освоить целый поток новых для него информационных технологий. Так появились ГИС в Казахстане.

Казахстанский центр геоинформационных систем осуществляет многочисленные проекты в области ГИС-технологий. ​Основная задача компании – внедрение и содействие развитию геоинформационных технологий на казахстанском пространстве. За последние годы ГИС, сначала считавшаяся в Казахстане красивой и дорогой компьютерной «игрушкой», превратилась в высокоэффективный инструмент для решения различных задач, стоящих перед государством, крупными компаниями, всем обществом.

   В настоящее время действуют специализированные классы по обучению ГИС при компаниях, продающих решения на основе или с элементами ГИС. Многие вузы ввели ГИС как одну из учебных дисциплин в свою программу. За годы независимости написаны кандидатские и докторские диссертации, посвященные ГИС. Проводится ежегодная конференция пользователей ГИС в Казахстане.
   ​Все эти факты свидетельствуют о том, что ГИС как технология и мировоззрение в Казахстане состоялись и что у них впереди 

долгая, как дорога в степи, жизнь и бескрайние, как пространство Казахстана, перспективы.
   ​Компания одной из первых посадила ростки геоинформатики, которые сейчас можно рассматривать уже как молодую, но крепкую отрасль.

Подведем итоги

   Проверь себя!

   1. Дайте определение новых понятий темы.
   ​2. Что такое ГИС? Как работает упрощенная схема информационной системы?
   ​3. Назовите основные компоненты ГИС и дайте им характеристику.
   ​4. Как осуществляется ввод данных в ГИС?
   ​5. Какие еще компьютерные программы можно широко использовать для обработки и накопления географических баз данных?
   ​6. Назовите выходные данные ГИС. Дайте им характеристику.
   ​7. Назовите области применения ГИС.

   Самостоятельная деятельность!

   Задание 1
   Постройте широко используемые типы графиков по развитию одной из отраслей промышленности мира (по своему выбору), используя программу Microsoft Excel. Графические материалы должны раскрывать​ уровень развития исследуемой отрасли. Не забывайте, что данные из статистических сборников необходимо брать в динамике. Представьте результат работы в классе, обсудите и сделайте вывод по теме.

​   Задание 2. 
   ​Сделайте подборку широко распространенных типов карт по экономико-географической характеристике одной из стран мира (по своему выбору), используя компьютерную базу данных. Составьте презентацию слайдов по теме в программе Microsoft PowerPoint. Представьте результат работы в классе, обсудите и сделайте вывод по теме.

Задания, связанные с поиском дополнительной информации!

   Задание 1. 
   ​Подготовьте сообщение по теме «Географические объекты 
в ГИС», используя дополнительную литературу, интернет–источники.
   ​Обратите внимание на решение следующих вопросов:
   ​1) Что называется географическими объектами в ГИС?
   ​2) Какими видами они представлены?
   ​3) Укажите в сообщении, почему для работы с географическими объектами важно четко понимать значение терминов «масштаб» и «разрешение».
   ​4) Что означает понятие «атрибутная характеристика»?
   ​Обсудите подготовленное сообщение в классе и сделайте вывод.

   Задание 2.
   ​Составьте доклад-сообщение «Примеры использования ГИС в Казахстане» по одной из следующих тем:
   ​- ГИС в работе избирательной кампании
   - ИС в бизнесе
   ​- ГИС для демографического анализа
   ​- ГИС для связи с клиентами и партнерами
   ​- ГИС для доставки товаров и маршрутизации
   ​- ГИС в создании и использовании электронных карт
   ​- ГИС для задач городского хозяйства
​- ГИС в государственном земельном кадастре

   ​- ГИС в экологии
   ​​- Предоставление ГИС-услуг через интернет
   ​​- ГИС в игорном бизнесе
   ​​Обсудите подготовленные доклады-сообщения в классе и сделайте вывод.

   Моя точка зрения!

   Внимательно прочитайте цитаты известных людей о технологиях.
   ​Согласны ли вы с этими высказываниями? Любой ваш ответ (положительный/отрицательный) обоснуйте и аргументируйте.
   ​1. Д. Ассанж: «Конечные пределы компьютерной мощи не определяются людьми, которые собирают компоненты на китайских фабриках; возможности компьютера заключены в самой его сути».
   ​2. Б. Гейтс: «Бумажная цифра – мертвая цифра, а цифра в электронной форме способна рожать мысли и действия».
   ​3. Р. Мердок: «В борьбе за свободу информации именно технология, а не политика определит исход дела».

Өтінемін күте тұрыңыз