Поняття ГІС. Класифікація, сфери застосування, функції та структура

При розв’язанні задач прийняття рішень в системах управління різного роду використовується велика кількість інформації про розташування і функціонування окремих об'єктів і підсистем в операційному (географічному, економічному чи іншому) просторі. Таку інформацію називають просторовою, або просторово-координованою. У разі географічного (реального) простору ця інформація відбиває топографію (топологію), просторову форму, розташування окремих об'єктів і підсистем інфраструктури і комунікацій. Інтерпретація просторових даних здійснюється на основі знань про закони і закономірності відповідної предметної області.

Географічна інформаційна (або геоінформаційна) система (ГІС) - це інформаційна система, що забезпечує збирання, зберігання, обробку, поширення, аналіз і відображення просторових і пов'язаних з ними непросторових даних, а також отримання на їх основі інформації і знань про географічний простір чи явища і події у прив'язці до нього.

Геоінформаційні технології — це технології інформаційної підтримки створення і експлуатації ГІС, які забезпечують реалізацію функціональних можливостей таких систем. Ці технології є прикладом сучасної інтегрованої інформаційної технології, використання якої істотно підвищує ефективність вирішення широкого класу прикладних задач [21].

Вважається, що на географічні (просторові) дані припадає більше половини об'єму всієї інформації, використовуваної організаціями, чия діяльність потребує врахування просторового розташування об'єктів. ГІС розширили сферу і способи використання географічних та топографічних карт за рахунок зберігання графічних даних у вигляді окремих тематичних шарів, а якісних і кількісних характеристик їх об'єктів - у вигляді баз даних. Така організація даних ("електронні карти") за наявності гнучких механізмів управління ними забезпечує принципово нові аналітичні можливості.

ГІС орієнтовані на забезпечення можливості прийняття оптимальних управлінських рішень на основі надання та аналізу просторових даних стосовно того, що саме знаходиться в заданій області чи де саме знаходиться просторова область, що задовільняє заданому набору умов. ГІС-технології призначені для широкого впровадження в практику методів і засобів роботи з просторово-часовими даними, передставленими у вигляді системи електронних карт і наочно-орієнтованих середовищ обробки різнорідної інформації, для різних категорій користувачів [58, 74]. ГІС системи розробляються з метою вирішення наукових і прикладних завдань з моніторингу екологічних ситуацій на урбанізованих територіях, раціонального використання природних ресурсів, геоекологічного районування, для інфраструктурного проектування, міського і регіонального планування, оцінки вартості земель і будівель, створення електронних карт для муніципальних служб, вибору територій для нового будівництва, оцінки запасів корисних копалин, підтримки роботи електронного уряду, оперативного реагування в умовах надзвичайних ситуацій тощо.

Існують різноманітні класифікації ГІС. Найчастіше ГІС класифікують за предметними областями, класами вирішуваних завдань, функціональними можливостями, принципом побудови, охоплюваною територією і способах організації географічних даних.

За функціональними можливостями ГІС підрозділяють на [44]:

· повнофункціональні ГІС загального призначення;

· спеціалізовані ГІС, орієнтовані на рішення конкретної задачі або задач в певній предметній області;

· інформаційно-довідкові системи для домашнього і інформаційно-довідкового користування.

Більшість сучасних ГІС здійснюють комплексну обробку інформації через реалізацію наступного набору внутрішніх функцій: введення і редагування даних; підтримка моделей просторових даних; зберігання інформації; перетворення систем координат і трансформація картографічних проекцій; растрово-векторні операції; вимірювальні операції; полігональні операції; операції просторового аналізу; різні види просторового моделювання (семантичне, імітаційне, геометричне, евристичне); цифрове моделювання рельєфу і аналіз поверхонь; автоматизоване проектування; виведення результатів в різних формах.

Функціональні можливості ГІС залежать від їх архітектури. За принципом її побудови ГІС поділяються на закриті та відкриті. Закриті системи не мають можливостей розширення і здатні виконувати лише набір функцій, однозначно визначений на момент покупки. Відкриті системи можуть добудовуватися самим користувачем за допомогою спеціального апарату (вбудованих мов програмування), що забезпечує легкість впровадження і можливості розширення.

За охоплюваною територією розрізняють глобальні (планетарні), загальнонаціональні, регіональні і локальні (зокрема, муніципальні) ГІС; за проблемно-тематичною орієнтацією – загальногеографічні, екологічні (природокористувальні), галузеві (водних ресурсів, лісокористування, геологічні, туризму і так далі) ГІС. Залежно від способу організації географічних даних ГІС можуть бути векторними, растровими і векторно-растровими.

У складі ГІС виділяють технічне, програмне і інформаційне забезпечення. Вимоги до компонентів ГІС залежать від завдань, на вирішення яких орієнтована ГІС, і від природних умов і ступеня освоєння території, для якої ці завдання повинні вирішуватися.

Технічне забезпечення – це комплекс апаратних засобів, які забезпечують функціонування ГІС: робоча станція або персональний комп'ютер (ПК), пристрої введення-виведення інформації, пристрої обробки і зберігання даних, засоби телекомунікації. Просторові дані можуть бути отримані електронними геодезичними приладами, безпосередньо за допомогою дигитайзера і сканера, або за наслідками обробки знімків на аналітичних фотограметричних приладах або цифрових фотограметричних станціях.

Програмне забезпечення складається з сукупності базових і прикладних програмних засобів, що реалізовують функціональні можливостей ГІС, і програмних документів, необхідних при їх експлуатації. Базові програмні засоби включають: операційні системи (ОС), програмні середовища, мережеве програмне забезпечення, системи управління базами даних, а також модулі управління засобами введення і виведення даних, систему візуалізації даних і модулі для виконання просторового аналізу. Прикладні програмні засоби призначені для вирішення спеціалізованих завдань в конкретній наочній області і реалізуються у вигляді окремих додатків та утиліт.

Інформаційне забезпечення – це сукупність масивів інформації, систем її кодування і класифікації. Інформаційне забезпечення складають реалізовані рішення стосовно видів, обсягів, розміщення і форм організації інформації, з пошуком та оцінкою джерел даних, набором методів введення даних, проектування баз даних їх адміністрування і супроводження. Особливість зберігання просторових даних в ГІС – їх розділення на шари. Багатошарова організація електронної карти, за наявності гнучкого механізму управління шарами, дає змогу об'єднати і відобразити значно більше інформації, як на звичайній карті. Дані про просторове положення (географічні дані) і пов'язані з ними табличні дані можуть готуватися самим користувачем або отримуватися з різних джерел. Для такого обміну даними важлива інфраструктура просторових даних, яка включає три необхідні компоненти: базову просторову інформацію, стандартизацію просторових даних, бази метаданих і механізм обміну даними.

Всі вищезгадані компоненти ГІС контролюються користувачем, що дотримується певного методу або набору правил обслуговування системи в межах прийнятої інфраструктури просторових даних.

ГІС призначені для аналізу, відображення та управління географічною інформацією. Більшість ГІС підтримують її представлення у кількох видах (рис. 8.1):

у виді просторової бази географічних даних, що містить набори даних, які представляють географічну інформацію в контексті загальної моделі даних ГІС (векторні об'єкти, растри, топологія, мережі і так далі);

у виді геовізуалізації, тобто набору інтелектуальних карт і інших представлень, які показують просторові об'єкти і відношення між ними на земній поверхні. Будують різні види карт, які можуть використовуватися як «вікна в базу даних» для підтримки запитів, аналізу і редагування інформації;

у виді геообробки, тобто набору засобів для отримання нових наборів географічних даних з існуючих даних. Інструменти обробки просторових даних (геообробки) витягують інформацію з існуючих наборів даних, застосовують до них аналітичні функції і записують отримані результати в нові похідні набори даних.

Рис. 8.1. Три види ГІС

Так, у програмному забезпеченні ESRI® ArcGIS® ці три види ГІС представлено каталогом (ГІС як колекція наборів геоданних), картами (ГІС як набір інтелектуальних карт) і набором інструментів (ГІС як набір засобів для обробки просторових даних). Аналогічні представлення інформації підтримуються і іншими ГІС-додатками.

Вимоги до ГІС впливають на процес розробки і впровадження програмного забезпечення ГІС. Подібно до інших інформаційних технологій, геоінформаційні технології повинні забезпечувати простоту впровадження додатків, створених на її основі для підтримки робочих процесів і бізнес вимог будь-якої організації. Це досягається створенням базової платформи програмного забезпечення, що підтримує різні типи наборів географічних даних, розвинені інструментальні засоби управління даними, їх редагування, аналізу і візуалізації. Відповідно програмне забезпечення ГІС все більшою мірою розглядається як ІТ-інфраструктура, навколо якої формуються сучасні багатокористувацькі системи. Ця платформа (рис. 8.2) повинна підтримувати функціонування всіх складових і функцій ГІС, до яких належать:

· географічна база даних для зберігання і управління всіма географічно-розосередженими об'єктами;

· заснована на Web мережа для розподіленого управління географічною інформацією і її спільного використання;

· настільні і серверні застосування для:

· компіляції даних;

· інформаційних запитів;

· просторового аналізу і обробки геоданих;

· створення картографічних продуктів;

· візуалізації та дослідження растрових зображень;

· управління даними ГІС;

· модульні програмні компоненти (engines) для вбудовування ГІС-логіки в інші застосування і спеціалізовані користувацькі програми;

· географічні інформаційні сервіси для багаторівневих і централізованих ГІС-систем.

У більшості сучасних ГІС дані шарів і таблиць надходять із різних джерел і керуються різними користувачами. Набори географічних даних можуть компілюватися і управлятися та використовуватися як спільний інформаційний ресурс спільнотою користувачів.

Ключові web-вузли, які називають порталами каталогів ГІС, надають користувачам можливість викладати власну інформацію і шукати доступну для використання геоінформацію, надану іншими користувачами. Як наслідок, ГІС-системи інтегруються у Всесвітню мережу, і утворюють ГІС-мережу на базі стандартизованих правил формування і обміну даних в ГІС на основі єдиної інфраструктури просторових даних (SDI, Spatial Data Infrastructure).

 

Рис. 8.2. Дизайн сучасної платформи ГІС, який відповідає вимогам географічного підходу до накопичення знань

ГІС-мережа об'єднує багато сайтів, сприяє публікації, пошуку і спільному використанню користувачами географічної інформації за допомогою World Wide Web. У складі ГІС-мережі виділяють: користувачів ГІС; портали каталогів метаданих, що являють собою Web-сайти, на яких користувачі можуть вишукувати ГІС-інформацию згідно своїх потреб; ГІС-вузли, на яких користувачі компілюють і публікують набори ГІС-інформації.

Періодично сайт порталу ГІС-каталога може проводити обстеження каталогів пов'язаних з ним сайтів-учасників з метою публікації і оновлення одного центрального ГІС-каталога. Відповідно ГІС-каталог може містити посилання на джерела даних, що є як на цьому, так і на інших сайтах. ГІС-дані і сервіси у вигляді записів вносяться в каталог ГІС-портала, за яким можна проводити пошук даних та інструментів для використання в різних ГІС. ГІС-каталогом є, наприклад, урядовий ГІС-портал США Geospatial One-Stop (www.geodata.gov).