Геоинформационная концепция

Современный период развития общества характеризуется значительными достижениями в возможностях получения информации о природной и социальной сферах, а также использования этих данных для решения научных и практических проблем. Объемы требуемой информации колоссально возрастают и, естественно, требуют для обеспечения своего рационального использования привлечения современных, базирующихся на компьютерных технологиях средств – как для ее обработки и анализа, так и для организованного хранения, поиска нужной информации и другого манипулирования ею. В противном случае неизбежно наступление информационного кризиса, связанного с утерей способности эффективно использовать имеющуюся информацию.

В результате этого в последние десятилетия быстро формируется новая наука – информатика (от фран. information – информация и automatique – автоматика), научное направление, который изучает структуру и общие свойства научной информации, вопросы ее сбора, хранения, автоматической переработки и использования во всех сферах человеческого общества. Информатика выступает интегрирующим направлением, благодаря которой происходит взаимопроникновение методов, стилей мышления и зарождение ряда комплексных научно-технических дисциплин, становление которых обусловлено объективны­ми потребностями общественной практики, необходимостью решения сложных, комплексных проблем развития общества.

Современная информатика развивается в результате объединения ряда дисциплин – кибернетики, теории и практики автомати­зированных систем управления, компьютерной науки и техники, проектирования, искусственно­го интеллекта и др. Основные области применения информатики: а) информационные системы и средства коммуникации; б) средства автоматизации и управления; в) средства мате­матического моделирования и вычислительного эксперимен­та.

Основу информатики составляют мате­матические модели и алгоритмы, разрабатываемые в мате­матике. Информатика широко применяет ЭВМ в вычислительных процессах как эффективный способ изучения сложных моделей окружающего мира. Важным направлением информатики является математическое моделирование с использованием ЭВМ. Информатика создает также новые ме­тоды и средства познания и позволяет применять на практике коллективный опыт, содержащийся в пакетах алгоритмов и программ. Благодаря возможности непосредственного диалога «человек – машина» широкое распространение получили имитационные модели. При работе человека на ЭВМ осуществляется прямое воз­действие на избранный объект, информационно заданный ма­шиной. Модель исследуемого объекта воспроизводится на мониторе в графической форме в системе определенных пространственных координат. Последнее способствует развитию синте­тического пространственного мышления человека, который ощущает себя действующим лицом в этом абстрактном мире.

Сложилась и активно развивается новая область инфор­матики – «искусственный интеллект», в рамках кото­рой создаются эффективные человеко-машинные системы об­работки информации. В рамках этого направления появился целый класс систем, ориентированных на знания. Вопрос представления знаний в машине является центральной проблемой искусственного интеллекта. Среди систем, ориентированных на знания, выделяют экспертные системы, предназначен­ные для тех областей деятельности, где знания представлены в текстовой форме, а выводы делаются на основе человеческих рассуждений. Для подобных задач в искусственном ин­теллекте разработаны специальные способы формализации: семантиче­ские сети, фреймы, продукционные системы и др.

Геоинформатика опирается на анализ информационных потоков, которые возникают в предметных областях наук о Земле (рис. 31). Это позволяет усилить междисциплинарные связи и спо­собствует развитию теоретических и методических основ географии как естественнонаучной базы решения проблем взаимодействия общества и природы. География объединя­ет модели, формирующие каркас научных представлений о со­временной природе Земли и взаимоотношениях человеческой деятельности с нею, обеспечивает понимание взаимодействия геофизических и геохимических процессов, дает основу госу­дарственной стратегии использования территории, природных и экономических ресурсов, формирования территориальных социально-экономических и природно-технических систем.

При исследовании сложных динамических систем большое значение имеет изучение информационных потоков, которые предста­вляют собой информационный функционал, построенный на мно­жестве информационных функций. Аналогичным образом можно определить понятие геоинформационного потока, учитывая ограничения и специфику геосистемных объектов. Геоинформационный поток может быть представлен как геосистемная информационная модель, состоящая из множества взаимосвязанных или взаимодействующих геоинформационных моделей более низ­кого иерархического ранга.

Теория и практика геоинформатики развивается на основе тесного взаимодействия с новыми направлениями в картографии: математико-картографическим моделиро­ванием, автоматическим картографированием и использованием карт и «космологизацией» науки, в результате синтеза которых образуются интегральные структуры в виде картографических банков данных и автоматизированных кар­тографических систем.

Будучи интегрирующим направлением, геоинформатика часто считается наукой о пространственной информации. Она объединяет различные науки, имеющие дело с пространственными данными. Геоинформатика тесно связана с географией, которая имеет длительные традиции пространственного анализа и обладает соответствующим методологическим аппаратом для его проведения.Связующим началом являетсяединица географической информации – понятие, соединяющее четыре ин­формационных элемента: 1) объект наблюдения , 2) предмет информации, 3) количественную (или качественную) характеристику предмета инфор­мации в принятых мерах измерения, 4) период, к которому относится ис­числение.

Особенно тесные взаимосвязи существуют между геоинформатикой и картографией. Последняя занимается отображением пространственной информации. Компьютерная картография (именуемая также «цифровой картографией», или «автоматизированной картографией») дает методы цифрового представления картографических характеристик и манипулирования ими, а также методы визуализации.

Одна из важнейших функций геоинформатики – орга­низация и проведение мониторинга окружающей среды. Виды мониторинга классифицируются по пространственному охвату (локальный, региональный, глобальный), по объ­ектам наблюдения (наблюдение за атмосферой, океаном, почвен­ным покровом, биологическими ресурсами, опасными природ­ными явлениями, техногенными загрязнениями и т.п.), по методам наблюдения (прямое инструментальное наблюдение, косвенное индикационное наблюдение, аэрокос­мическая индикация, сравнение разновременных картографи­ческих материалов и др.). Картографический и геоинформационный мониторинг включает че­тыре основных блока:

1. Блок исходной информации (картографические данные о природных условиях, хозяйствен­ном использовании территории, а также о состоянии явления, процесса или параметра окружающей среды, за которыми пре­дполагается вести наблюдение).

2. Блок оценочно-прогнозной информации (карты оценки наблюдаемого явления, прогноза его развития во времени и пространстве и, кроме того, рекомендательные карты для принятия решений).

3. Блок оперативного прогноза и контроля (создание опе­ративных карт развития наблюдаемого явления). Данный блок непосре­дственно связан с поступающей аэрокосмической информацией, дан­ными гидрометеослужбы, наблюдениями на станциях мониторинга.

4. Блок апостериорных картографических данных, где оценива­ются результаты изменений в окружающей среде, их влияние на хо­зяйственную деятельность и здоровье человека, намечаются долго­срочные мероприятия по рациональному использованию благоприят­ных тенденций или уменьшению отрицательных эффектов.

В географии информационные технологии проявляются в виде геоинформатики и географических информационных систем (ГИС).

Геоинформатика– научная дисциплина, изучающая геосистемы (их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве-времени) посредством компьютерного моделирования, а также ГИС-технологии сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственной информации для решения задачи управления геосистемами различного иерархического уровня и территориального охвата.

Географические информационные системы (ГИС) представляют собой особую информационную систему, осуществляющую сбор, обработку, хранение, отображение и распространение географических данных, а также данных непространственного характера (Берлянт, 1996). Главное назначение ГИС – обеспечение процесса принятия решений по оп­тимальному управлению природными ресурсами, организации промышленности, сельского хозяйства, транспорта и розничной торговли и других пространс­твенных объектов. Для выполнения своего назначения информационная система должна иметь полный набор функциональных возможностей, в т. ч. наблюдение, измерение, описание, интерпретация, прогноз, принятие решений.

Благодаря ГИС произошла революция в средствах накопления, обработки и выдачи географической информации, что обусловлено двумя сопряженными факторами – достижениями техники и резко возросшим объемом запросов к географии. Был пройден путь от создания баз данных по отдельным регионам и прикладным направлениям отраслей гео­графии до фор­мирования ГИС-технологий, позволяющих решать как приклад­ные (обеспечение менеджмента), так и теоретические задачи (прогнозное и ретроспективное моделирование, электронное кар­тографирование и т.д.).

Первые ГИС были созданы в 60-х годах в США и Канаде. В настоящее время существует огромное множество областей применения ГИС и их количество постоянно расширяется. В каждой из прикладных областей существуют свои специфические потребности и своя специфическая терминология, своя история внедрения ГИС-технологий. На начальном этапе эти технологии развивались в значительной степени независимо в разных прикладных областях. В этом одна из причин, что сегодня в мире насчитывается уже очень много коммерческих пакетов программ для работы с ГИС, их функции часто в значительной степени совпадают, но при этом зачастую используется различная терминология для обозначения одинаковых или сходных функций и элементов моделей данных.

ГИС используются для переработки геоинформационных потоков, которые формируются в пределах географической оболочки и геологической среды и представляют собой информационное отражение системы объектов географического и геологического изучения. В структурном отношении ГИС состоят из: 1) системно организационных полиструктурных баз (банков) данных и знаний с необходимым качеством динамичности, т.е. способности к быстрой переработке и непрерывного обновления, отражающих все изменения, происходящие в реальном объекте; 2) системно организованных множеством различных моделей, алгорит­мов и программ для переработки (анализа-синтеза) и преобразова­ния данных в семантическую пространственную инфор­мацию нового качества в соответствии с определенными концеп­циями; 3) интерфейсов установленного доступа к системе с уче­том избранной технологии.

Выделяют также блоки ГИС: территориальный (ввод и пространственная организация данных), отраслевой (база темати­ческих данных) и программный (система управления базами дан­ных и аппаратно-программное обеспечение операций математико-картографического моделирования и картографического воспроиз­ведения информации). Большинство современных ГИС состоят из следующих подсистем:

1) Подсистема обработки данных, предназначенная для получения данных (с карт, изображений или в ходе полевых исследований), ввода данных (создание цифровых баз данных), их хранения (как часто они используются, как их следует обновлять, являются ли они закрытыми?); 2) Подсистема анализа данных, включающая поиск и анализ (от простых ответов на запросы до сложного статистического анализа больших массивов данных), вывод информации в виде карт, таблиц, графиков и т. д.; 3) Подсистема использования информации. Пользователями являются научные работники, специалисты по планированию, управляющий персонал; 4) Подсистема управления, предоставляющая услуги по составлению баз пространственных данных и их анализу.

В настоящее время в мире функционируют тысячи ГИС, активно используемые во всех сферах человеческой деятельности. Вот лишь основные области применения ГИС-технологий:

- управление земельными ресурсами, земельные кадастры;

- инвентаризация и учет объектов распределенной производственной инфраструктуры;

- проектирование, инженерные изыскания и планирование в градостроительстве, архитектуре, промышленном и транспортном строительстве;

- тематическое картографирование практически в любых областях его применения;

- морская картография и навигация;

- аэронавигационное картографирование и управление воздушным движением;

- навигация и управление движением наземного транспорта, дистанционное зондирование;

- управление природными ресурсами (водными, лесными и т.д.);

- представление и анализ рельефа местности;

- моделирование процессов в природной среде, управление природоохранными мероприятиями;

- мониторинг состояния окружающей среды, реагирование на чрезвычайные ситуации;

- геология, минерально-сырьевые ресурсы и горнодобывающая промышленность;

- планирование и оперативное управление перевозками;

- маркетинг, анализ рынка;

- комплексное управление и планирование развития территории города;

- безопасность, военное дело и разведка;

- общее и специальное образование;

- сельское хозяйство.

Многие из этих ГИС связаны с задачами учетно-инвентаризационного типа, когда главное внимание уделяется данным и измерениям (например, задачи земельного кадастра или управления распределенной производственной инфраструктурой большого предприятия). Другие связаны с задачами управления и принятия решений. В-третьих, акцент делается на моделировании и сложном анализе данных. Первый тип имеет наибольшее значение, хотя бы в силу того, что на этот тип задач приходится максимальное число реализованных и находящихся в режиме эксплуатации систем, в том числе крупнейшие по числу пользователей и объемам собранных данных. Использование ГИС в качестве информационно-справочных систем начинает также широко использоваться в обучении. Отметим также, что вне зависимости от того, используются ли при работе с данными мощные аналитические процедуры и сложные запросы, ГИС очень часто используются как средства поддержки принятия решений. Достигаемая здесь эффективность, даже при минимальных средствах, доступных геоинформатике, часто очень высока за счет наглядности картографической визуализации информации и удобства доступа к информации.

Источником информации для ГИС служат карты, данные дистанционных исследований (изображения, полученные с самолетов и спутников, результаты дистанционного зондирования, позволяющие с минимальными затратами получить и обработать данные для любого района земного шара и возможность их постоянного обновления), землемерной съемки

Для классификации ГИС существуют различные основания. В зависимости от назначения и проблемной ориентации ГИС подразделяются на программно-ориентированные, многоцелевые и интегральные. Программно-ориентированные ГИС предназначены для решения задач определенного типа и уровня. Среди них выделяются ресурсные (полезные ископаемые, земельные и биологические ресурсы, промысловые животные и рыбы, трудовые ресурсы и др.), социально-экономические (по населению, промышленности, сельскому и лесному хозяйству, обслуживанию населения), муниципальные (городское планирование, проектирование и строительство, кадастр, коммунальные службы, торговля и др.), картографические (составление и обновление карт, картографический анализ), а также учебные, библиографические, информационно-поисковые ГИС. Многоцелевые ГИС способны комплексно решать задачи разного типа (экономические, социально-политические, экологические и др.). Интегральные ГИС создаются на основе синтеза данных дистанционного зондирования и картографических, интегрируют разновременные данные, архивные документы, материалы аэрокосмических съемок и т. д.

По пространственному охвату ГИС делятся на глобальные, общегосударственные (национальные), региональные, муниципальные, локальные.

По тематической ориентации они подразделяются на общегеографические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, туризма, рекреации и др.

Внедрение геоинформационных технологий способствовало развитию геоинформационного картографирования, сущность которого заключается в информационно-картографическом моделировании природных и хозяйственных территориальных систем на основе цифровых баз данных, ГИС-технологий и географических знаний.

Главными предпосылками формирования геоинформационного картографирования как научного направления, по мнению А. М. Берлянта, являются: развитие геоинформатики; практическая потребность в картографическом обеспечении принятия решений; внедрение в картографию компьютерного картосоставления; интеграция теоретических концепций картографии на основе геоинформационной концепции; создание и внедрение в науку и практику новых видов картографических изображений.

Сущность геоинформационного картографирования заключается в математико-картографическом моделировании природных и хозяйственных геосистем на основе баз (и банков) данных, ГИС-технологий и географических знаний. Это направление формируется на пересечении таких областей знания как автоматизированное и системное картографирование, а также дистанционных методов и геоинформационных систем. Оно включает в себя основные аспекты составления, редактирования, издания и использования картографического материала, автоматического создания карт на основе обработки данных дистанционного зондирования.

Геоинформатика является перспективным и стремительно развивающимся научным направлением. В ближайшие годы все отрасли географических знаний будут развиваться под сильным воздействием геоинформационных технологий, компьютерной обработки пространственной информации, расширением использования глобальных телекоммуникационных сетей. Во многих странах мира геоинформатика и геоинформационные методы рассматриваются как магистральные направления, способствующие интеграции всей системы географических наук.