ЧТО ТАКОЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ?

В наиболее общем смысле, геоинформационные системы это инструменты для обработки пространственной информации, обычно явно привязанной к некоторой части земной поверхности и используемые для управления ею. Это рабочее определение не является ни полным, ни точным. Как и в случае с географией, термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В результате, нет общепринятого определения ГИС. Сам термин изменяется в зависимости от интеллектуальных, культурных, экономических и даже политических целей (см. Таблицу 1.1). Эта терминология стала в действительности очень изменчивой, приводя ко все более запутанному жаргону, все новым определениям, постоянно проникающим как в научную, так и в популярную литературу.

Отсутствие общепринятого определения привело к значительному недопониманию того, что такое ГИС, каковы их возможности и для чего такие системы могут применяться. Это привело к тому, что некоторые люди полагают, например, что нет разницы между компьютерной картографией, компьютерным черчением и собственно ГИС. Поскольку графические экраны всех трех систем могут выглядеть одинаково как для случайного, так и для опытного наблюдателя, легко предположить, что эти системы, при небольших различиях, в принципе, - одно и то же. Но любой, кто попытается анализировать карты, скоро поймет, что системыкомпьютерной картографии,придуманные для создания карт из графических примитивов (геометрических фигур) в сочетании с описательными атрибутами, прекрасно подходят для отображения карт, но обычно не содержат аналитических возможностей ГИС.

Таблица 1.1. Примеры синонимичных названий ГИС и их источники

Аналогично, для чисто картографических целей желательно использовать именно систему компьютерной картографии, разработанную специально для ввода, организации и вывода картографических данных, нежели продираться через мириады аналитических функций мощной профессиональной ГИС всего лишь для создания простой карты. Системы компьютерного черчения, специально, разработанные для создания графических изображений, не привязанных к внешним описательным данным, - прекрасный инструмент для архитектора, ускоряющий Производство архитектурных чертежей и упрощающий их редактирование.

* Автор, как правило, не различает геоинформатику как научную дисциплину и геоинформационные системы как программные продукты, используя в обоих случаях термин GIS; в переводе, по возможности, делается различие между ними. ~ прим. перев.

В отличие от систем компьютерной картографии, они неудобны для создания карт, но при этом тоже не имеют средств анализа карт, обычно главной задачи ГИС [Cowen, 1988].

Для опытного пользователя ГИС не требуется определения. Но для тех, кто только слышал об этой технологии, определение может оказаться полезным. Для предварительного рассмотрения можно взять определение, данное Дэвидом Райндом (David Rhind), назвавшим ГИС "компьютерной системой для сбора, проверки, интеграции и анализа информации, относящейся к земной поверхности" [Rhind 1988]. Это определение содержит ряд весьма полезных элементов, которые следует рассмотреть подробнее. Во-первых, оно говорит, что ГИС имеют дело с земной поверхностью. Хотя это не является абсолютно необходимым условием, подавляющее большинство применений ГИС имеют дело с участками этой поверхности. Во-вторых, утверждение о том, что ГИС используются для сбора, проверки, интеграции и анализа информации, напоминает о большом числе групп операций, необходимых для любой геоинформационной системы.

Предлагались и другие определения ГИС. Некоторые проявляли сильную связь между ручными и компьютерными методами анализа карт [Dickinson and Calkins 1988, Aronoff 1989, Star and Estes 1990]. Большинство других явно указывали среди главных целей ГИС использование их как инструмента анализа информации о земле [Aronoff 1989, Parker 1988, Dueker 1979, Smith et al. 1987, Cowen 1988, and Koshkariov, Tikunov and Trifimov 1989]. Как мы увидим в заключении, определение можно расширить также и для включения организаций и людей, работающих с пространственными данными [Carter 1989]. Для любой быстро развивающейся технологии определения могут меняться.

Для данного случая я избрал определение, которое представляет ГИС как набор подсистем, ее образующих. Это определение, предложенное в качестве стандарта Марблом и Пюке [Marble and Peuquet 1983], и используемое другими в той или иной форме в их собственных определениях [Parker 1988, Ozemoy, Smith and Sicherman 1981 and Burrough 1986], в целом резюмирует то, что же мы делаем с помощью ГИС, и как мы это делаем. Оно утверждает, что ГИС имеют дело с пространственно-временной информацией и часто, но не обязательно, используют компьютеры. Более важно, однако, что это определение использует идею подсистем, которая дает легко понимаемые рамки изучения ГИС. В соответствии с этим определением, ГИС имеют следующие подсистемы:

1. Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из различных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразования различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).

2. Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования.

3. Подсистема манипуляции данными и анализа, которая выполняет различные задачи на основе этих данных, группирует и разделяет их, устанавливает параметры и ограничения и выполняет моделирующие функции.

4. Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или часть ее в табличной, диаграммной или картографической форме.

Это определение позволяет легко сравнить современные компьютерные ГИС с традиционными бумажными картами, особенно если рассмотреть этапыкартографического процесса (Таблица 1.2). Первая подсистема ГИС может быть соотнесена с первым и вторым шагом процесса картографирования - сбором данных и компиляцией (составлением) карты [ Robinson etal. 1995] (Таблица 1.3). При традиционной технологии картограф собирает карту из точек, линий и областей на физическом носителе, таком, как бумага или пластик. Информация берется из таких источников, как аэрофотосъемка, цифровое дистанционное зондирование, геодезические работы, словесные описания и зарисовки, данные статистики и т.д. Компьютерный аналог использует электронные устройства для записи, или кодирования (encode), точек, линий и областей в компьютерную систему. Источники данных часто те же, что и в традиционной технологии, но сейчас включают и широкий спектр цифровых источников:готовые цифровые карты, цифровые модели рельефа, цифровые ортофотоснимки и многие другие. Хотя механизмы этих технологий различаются, используемые в реальности методы удивительно похожи.

Таблица 1.2. Сравнение процесса картографирования в случае традиционной картографии (карта) и геоинформационных систем (ГИС)

Таблица 1.3. Традиционная картография и ГИС: сравнение функций подсистемы ввода

Подобная же ситуация имеет место со второй подсистемой, подсистемой хранения и выборки (Таблица 1.4). Хотя нет прямого соответствия в картографическом методе, сама карта является средством хранения и выборки информации. Точки, линии и области, которые нанесены на карту, хранятся там для выборки их читателем карты. Говорят, что карта — наиболее компактный носитель для хранения пространственно-привязанной информации и, возможно, является наиболее сложным графическим изобретением. Нередко даже, насыщенность и сложность карты мешают пользователю извлекать из нее информацию. В ГИС подсистема хранения и выборки имеет некоторые преимущества перед картой в том, что можно делать запросы, возвращающие только нужную, контекстно-связанную информацию (Таблица 1.4),. она переносит акцент с общей интерпретации карты на формулирование адекватных запросов. В общих словах, эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, геометрические координаты точечных, линейных и площадных геометрических объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Компьютерные методы поиска естественным образом присущи самому программному обеспечению ГИС.

В картографическом методе нет прямого аналога и для подсистемы анализа, за исключением того, что карта является фундаментальным инструментом анализа пространственно-связанных данных (Таблица 1.5). Традиционная карта требует применения линейки для измерения расстояния, транспортира для определения направления, и сетки или планиметра для измерения площади [Marble, 1990]. Более того, человек, анализирующий карту, ограничен графическими методами,

использованными для представления данных на листе бумаги или пластика. Тем не менее, эти инструменты анализа карт использовались многие годы вследствие известной полезности сравнения пространственных объектов в численной форме.

Таблица 1.4. Традиционная картография и ГИС: сравнение функций подсистемы хранения и выборки.

Подсистема анализа является "сердцем" ГИС. Необходимость анализа карт для выделения и сравнения картин распределения земных феноменов, имеющего прототип и в утвердившейся традиции с обычными картами, дает импульс для поиска новых, более удобных, быстрых и мощных методов. ГИС-анализ использует потенциал современных компьютеров для измерения, сравнения и описания информации, хранящейся в базах данных, которые дают быстрый доступ к исходным данным и позволяют агрегировать и классифицировать данные для дальнейшего анализа. Они не только не ограничены в видах используемой информации, но и способны комбинировать выбранные наборы данных уникальными и ценными способами, далеко выходящими за рамки простого листа с изображенной картой [DeMers, 1991].

Конечно, после выполнения анализа, нужно представить как-то его результаты. В картографии, будь то традиционная бумажная картография или ее цифровой эквивалент, компьютерная картография, выходной продукт в целом тот же — карта. Наиболее общей целью картографии, по крайней мере, с точки зрения пользователя, является производство карт, обычно некоторым тиражом, для многих потребителей. Реально, производство и тиражирование являются двумя конечными этапами в картографическом методе [Robinson et al.,1995].

Значительным различием между ГИС и картографией, помимо акцента на анализе в ГИС, являются способы представления результатов анализа (Таблица 1.6). Хотя многие пользователи, возможно большинство, все же будут использовать картографическое представление, в современных ГИС есть много иных возможностей. Типичным примером некартографического представления являются распечатки таблиц, например, прогнозируемой урожайности в зависимости от типа почвы, или предполагаемое изменение населения по районам переписи. Эти же результаты можно представить набором гистограмм или графиков. Дополнительно, на поля карты или в таблицы и графики можно поместить хранимые в цифровой форме фотографии выбранных мест.

Таблица 1.5. Традиционная картография и ГИС: сравнение функций подсистемы анализа.

Таблица 1.6. Традиционная картография и ГИС: сравнение функций подсистемы вывода.

Существуют и другие разнообразные функции ГИС. Среди примеров выдачи — печать адресов на конвертах по результатам поиска в базе данных потенциальных клиентов с целью распространения рекламы. БД службы спасения может быть подключена к полицейскому или пожарному участку с тем, чтобы вызов мог быть прямо направлен к ближайшему из них. Эта выдача может быть и в форме маршрутной карты, показывающий кратчайший маршрут команде спасения к месту происшествия. В действительности типы выдачи часто продиктованы больше областью применения ГИС, нежели используемым программным обеспечением. И, как и пользователи карт, выдачи бывают самые разные.

Более интересным явлением, возникающем в результате широты спектра пользователей, является новый набор терминов, определяющих систему на основе того, что она делает. Например, возможны "полицейская информационная система", "информационная система по природным ресурсам", "переписная информационная система⁷, "экологическая информационная система", "земельная информационная система", "кадастровая информационная система" и т.д. Хотя эти термины описывают применение ГИС в общем, они мало помогают прояснить действительную сущность системы. На самом деле они обычно вносят дополнительный вклад в путаницу. Возможно, здесь окажется полезным более структурированный подход к классификации ГИС в форме таксономического дерева (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 Классификация информационных систем. Показывает место ГИС и ЗИС.

Этот рисунок ясно показывает разделение между пространственными и непространственными информационными системами (ИС). Правильным местом для ГИС будет категория пространственных ИС. Выделяются также два общих класса пространственных ИС: географические и негеографические. Последние, хотя часто и имеют дело с некоторой частью географического пространства, обычно имеют слабую связь с самой земной поверхностью и координатами на ней. Другими словами, обычно они не используют геокодирование. Таким образом, такие классы систем, как системы для компьютерного черчения и компьютеризованного производства (АСУТП), относятся к негеографическим пространственным ИС.

На ветви географических информационных систем есть еще одно разветвление. ГИС могут делиться на земельные и неземельные, или прочие, ИС. Хотя такое разбиение несколько искусственно, оно иногда полезно, поскольку отделяет применения ГИС, сфокусированные на собственно земле, от тех, где, хотя и используется геокодирование, более значима информация, которая может оказывать влияние на связанные с землей факторы или подвергаться влиянию с их стороны. Примером таких систем являются демографические ИС, основной целью которых являются население, жилищное строительство и экономическая активность, а не земля, на которой эти люди живут и даже не их использование этой земли. Другим не связанным с землепользованием применением ГИС является определение границ избирательных участков. Хотя по своей сути эта задача связана с разбиением земной поверхности на области, она не имеет прямого и немедленного воздействия на саму землю, но оказывает влияние на распределение по участкам результатов голосования людей, живущих, на этой земле. Еще одним общим не связанным с землепользованием применением ГИС является анализ рынка, который может включать определение емкости рынка в заданном радиусе от предприятия или анализ имеющихся предприятий с целью определения положения конкурирующего или дополняющего объекта. В эту же категорию попадает определение положения пожарных участков, школ и других объектов. В общем, неземельные применения ГИС обычно включают социальные, экономические, транспортные и политические виды деятельности.

Связанные с землей виды деятельности определяют рамки для второго и, возможно наиболее часто используемого типа ГИС — земельных ИС (ЗИС). Наиболее часто такие системы основаны на владении, управлении и анализе земельных участков, в основном, в интересах людей и, прежде всего с точки зрения землевладения. ЗИС далее делятся на те, что основаны на разбиении земной поверхности на участки собственности и те, которые такого разбиения не используют. Последние включают ИС по природным ресурсам, в том числе такие, которые используются национальными парками, лесными службами, агентствами по управлению землей и т.п. Задачи, решаемые этими ЗИС, могут включать отчуждение земли для заповедников, наблюдение за живой природой, прогноз землетрясений и оползней, устранение последствий наводнений, оценка химического загрязнения, управление лесами и зонами обитания диких животных, научные исследования.

Применения ЗИС на основе разбиения на участки обычно сосредоточены вокруг землевладения и других кадастровых вопросов. Определяющим критерием является разбиение земли на межеванные участки с узаконенными атрибутами. Хотя эта терминология может применяться к таким землям, как государственные леса, все же обычно она подразумевает участки поменьше [National Academy of Science 1980, 1983]. Необходимой для таких приложений является геодезическая сеть, по которой возможно точное описание участков. Применения ЗИС включают традиционные геодезические методы, они находятся среди крупнейших пользователей Глобальной системы позиционирования (GPS) NAVSTAR для получения координатной информации. После создания точной геодезической основы и кадастровой системы возможны различные виды анализа изменений в землепользовании с гарантией высокой точности измерений. В числе таких работ находятся попытки установления непротиворечивого совместного использования земли среди выбранных земельных участков, а также внедрение универсального многоцелевого кадастра.

Как в областях, связанных с землей, так и в областях, связанных с населением, имеются многие возможности применения геоинформационных технологий, имеющих огромный потенциал, как для простых, так и для сложных видов анализа. Однако, большинство из имеющихся приложений сложными не назовешь. По-видимому, это недоиспользование связано больше с незнанием имеющегося потенциала ГИС, нежели с ограничениями имеющегося программного обеспечения. Для того, чтобы задать программе задачу, нужно знать, что же это может быть за задача. И тогда уже мы сможем понять, способна ли программа эту задачу выполнить. Часто от сегодняшних пользователей ГИС можно услышать:

"Ого! Я не знал, что мы можем делать такое на компьютере!" Это восклицание чем-то напоминает реакцию первопроходцев былых времен, отправившихся в джунгли с пробковым шлемом и мачете. Для новичка, только что познакомившегося с ГИС, путешествие в новые измерения географических открытий только началось.

С ЧЕГО НАЧАТЬ?

ГИС — это увлекательное, даже чарующее поле деятельности с быстро растущими возможностями для тех, кто знаком с концепциями и технологией. Поэтому, и поскольку здесь есть шансы сделать хорошую карьеру, мы хотим начать как можно скорее. Но любое длительное путешествие лучше всего начать с хорошего планирования и осуществлять шаг за шагом. Существует общее заблуждение о том, что поскольку ГИС легкодоступны и имеются во многих различных организациях, можно просто сесть за компьютер и начать ими пользоваться. Однако ГИС совсем не так просты, как, например текстовые редакторы, к которым мы все уже привыкли. В то время как большинство из нас знают некоторые основы написания текстов, и возможно, весьма привычны к работе в текстовых редакторах, немногие из нас также уверенно чувствуют себя по отношению к аналитическим операциям, необходимым для принятия решений с помощью карт. Также как и пользование текстовым редактором предполагает нашу способность организовывать наши мысли в связную последовательность предложений и абзацев, так и ГИС требуют знакомства с языком карт. Если спросить, большинство из нас скажут, что хорошо знают карты. Мы привычно пользуемся картами дорог, и, если необходимо, заглядываем в атлас мира с его политическим, физическими и экономическими границами, связанными с ними цветами, графическими символами, текстом и, конечно, стрелкой направления на север. Большинство из нас, однако, не задумывается ни об объеме информации, которую содержит карта, ни о процессах генерализации (обобщения), которые возникают при решении вопроса о том, какие детали включаются, а какие - нет. И никто не хочет думать о проблеме представления в принципе сферической поверхности на плоском листе бумаги. Поскольку карта — такой изящно разработанный документ, такой продуманный, мы просто принимаем его как данное.

Однако, при случае, ограничения картографического искусства проявляются на свет. Часто ли вы удивлялись, почему дорога, выглядящая прямой на карте, на самом деле всё время петляет? Графические ограничения, налагаемые на картографа качеством имеющихся данных, толщиной грифеля карандаша, размером бумаги и другими факторами, требуют от него решения о том, насколько детальной может и должна быть данная конкретная карта. Значительная часть этой генерализации обусловлена масштабом карты. Чем мельче масштаб (и больше размер области, отображенной на карте), тем более глубокая генерализация требуется для создания картографической модели.

Идея о том, что карта является моделью реальности, - возможно, наиболее важная идея, которую должен усвоить будущий специалист по ГИС. Поскольку карта имеет такую внешнюю привлекательность, пользователь часто готов принять ее за истину. Те, кто работают с картами, и особенно те, кто имеет дело с взаимодействием многих карт, должны постоянно напоминать себе об ограничениях картографического производства. Здесь приведены несколько простых упражнений, которые вы можете выполнить для того, чтобы познакомиться с картографической моделью и некоторыми ее ограничениями.

Взгляните на несколько карт мира из разных атласов. Возьмите хорошо известную вам страну. Отметьте, насколько ее изображения отличаются по размеру, форме, конфигурации границ, количеству городов и т.д., на этих картах. Возможно, вас удивит величина различий между картами. Теперь представьте себе, что вам нужно ввести карту этой страны в геоинформационную систему. Какую из них вы выберете? Почему? Как помогает в этом выборе внимательное рассмотрение цели проекта?

Раздобудьте две или три смежных топографических карты вышей местности. Каким числом они датированы? Одним и тем же? Разными? Теперь начинается самое интересное. Прозрачной лентой (лучше снимаемой) склейте карты вместе так, чтобы все линии сошлись. Да, не забудьте включить какую-нибудь расслабляющую музыку, пока это делаете. Что вы обнаружили? Линии точно не сходятся? Представьте себе, что вам предстоит ввести 20 или 30 таких карт в ГИС, если ни одна пара линий не стыкуется.

Неплохо включить в вашу ГИС и почвенные данные. Попробуйте провести последний эксперимент с местными почвенными картами. Несовпадение между листами еще больше. Если вы используете карты почв Службы рационального использования почв Министерства сельского хозяйства США, вас может привлечь использование аэрофотоснимков на заднем плане. Считается, что это хорошее дополнение. Но оно имеет свою цену. Если вам нужно ввести эту карту наряду с другими картами в геоинформационную систему, то вам придется совместить ее с другими так, чтобы объекты на картах совпадали. Это требует указания координат на в^сех картах. Попробуйте найти их на картах обследования почв. Как вам удалось справиться с этой маленькой проблемой?

Если эти примеры еще не убедили вас в необходимости научиться понимать язык карт перед тем, как взяться за ГИС, то, возможно, убедит такой: Вам нужно создать карту растительности вашего региона до его заселения. При этом оказывается, что три известных картографа растительности выполнили такие карты на некоторые части вашего региона. Отправившись в библиотеку, вы обнаруживаете, что первая карта показывает классификацию растительности по структурным компонентам (травы, кустарники, деревья и т.д.), а вторая, пересекающаяся с первой, — по видам. Вы также с досадой обнаруживаете, что имеются лишь небольшие участки карты, где эти две системы соответствуют друг другу. Надеясь на помощь третьей карты, вы обнаруживаете, что, хотя она классифицирована по комбинации структур и видов, ее область не перекрывает ни одну из первых двух, точнее, она значительно отдалена от них.

Только что показанные проблемы классификации - типичны, и требуют от изучающего ГИС изучать больше чем престо технику Прежде чем освоить технику, вам нужно освоить ее идеи. Мы начнем первый этап путешествия в следующей главе, где подробнее рассмотрим природу географических данных и методы, посредством которых они отображаются на картах. Этот первый шаг даст нам лучшее понимание основных строительных блоков ГИС и обеспечит более взвешенный подход, когда мы приступим к реализации географического анализа и картографического моделирования.

Вопросы

1. Что было движущей силой для создания первой ГИС? Почему ее было так трудно создать?

2. Что такое географическая информационная система? Чем ваше определение отличается от предложенного Дэвидом Райндом? Почему для ГИС существует так много названий?

3. Какова связь между традиционной картой и ее компьютерным аналогом? Каковы отношения между четырьмя подсистемами ГИС и картой?

4. Какова разница между ГИС и компьютерной картографией? Между ГИС и компьютерным черчением?

5. Какие основные аналитические возможности обычно присутствуют в современных ГИС?

6. Кто обычно использует ГИС? В чем причина их популярности?

РАЗДЕЛ 2