Географическая информационная система (ГИС) (англ. Geographic Information System, GIS) - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственных данных.

Пространственные данные представляют собой данные о пространственных объектах в цифровой форме.

По территориальному охвату различают глобальные (планетарные) ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования: городские ГИС, или муниципальные ГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS), туристические и т.д.

Интегрированные ГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений данных дистанционного зондирования в единой интегрированной среде.Технология ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных, такими, как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач.Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС автоматизирует процедуру анализа и прогноза.

ГИС включает в себя основные составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные

Аппаратные средства в общем случае представляют собой персональный компьютер либо отдельный, либо включенный в компьютерную сеть.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Основными компонентами программного обеспечения являются: средства для ввода и географической информацией, СУБД, инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации; графический пользовательский

Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных.

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми.

В векторной модели информация о точках, линиях кодируется и хранится в виде набора координат X,Y (в современных ГИС часто добавляется третья пространственная координата Z и четвертая, например, временная). Местоположение точки (точечного объекта), например, Приметного камня, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат.

Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как плотность населения или доступность объектов.

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных.

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги или километровый столб на магистрали и т.п.

При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием.

С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает клиент туристической компании или находится нужная вам организация, памятное место где произошло историческое событие и имеющуюся об этом информацию, по какому аршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома и т.д.

Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниях заработать миллионы долларов.

Пример

На создание туристско-ориентированной геоинформационной системы города Пинава (Pinawa) и окружающих его территорий (Канада) было затрачено $82 500. За 3 года система принесла $5 000 000 дохода.

На сегодняшний день туристический бизнес стран СНГ не может похвастаться огромными успехами области ГИС, некоторые результаты имеют центральные города Москва и Санкт-Петербург.

Информация, однако, там представлена в одном ракурсе – электронная карта без привязки к реальному времени, то есть нельзя найдя на карте Большой театр тут же получить список сегодняшних спектаклей, фотографию фасада или, хотя бы, ссылки на его официальный сайт.

В настоящее время в мире ГИС тесно связываются со спутниковыми технологиями для навигации (определение местоположения пользователя на электронной карте).

Подобные системы за рубежом устанавливаются для туристических операторов экстремального туризма.

Пример использования

В ГИС можно ввести карту на которой будут нанесены самые крупные курорты, с которыми сотрудничает фирма, ввести планы этих территорий, здания, информацию о качестве обслуживания, фотографии номеров, пляжей, названия оригинальных блюд местной колоритной кухни и др. Обеспечив через Интернет доступ к такой ГИС турфирма, либо курортный город будут иметь огромное преимущество перед другими продавцами этого вида услуг. Или можно разместить фрагмент аэорофотоснимка исторической местности, на котором отмечены интересные места. При клике мышкой по отмеченным местам пользователь имеет возможность получить исчерпывающую информацию по данному объекту с текстом и фотографиями.

, экономике , обороне .

По территориальному охвату различают глобальные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования, к примеру, городские ГИС, или муниципальные ГИС, МГИС (urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) Шаблон:Nobr ; среди них особое наименование, как особо широко распространённые, получили земельные информационные системы. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде.

Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), 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 (spatio-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными. Реализация геоинформационных проектов (GIS project), создание ГИС в широком смысле слова, включает этапы: предпроектных исследований (feasibility study), в том числе изучение требований пользователя (user requirements) и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения «затраты/прибыль» (costs/benefits); системное проектирование ГИС (GIS designing), включая стадию пилот-проекта (pilot-project), разработку ГИС (GIS development); её тестирование на небольшом территориальном фрагменте, или тестовом участке (test area), прототипирование, или создание опытного образца, или прототипа (prototype); внедрение ГИС (GIS implementation); эксплуатацию и использование. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой .

Задачи ГИС

Ввод данных. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат (оцифрованы). В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера .
Манипулирование данными (например, масштабирование).
Управление данными. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов, а при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными применяются СУБД .
Запрос и анализ данных - получение ответов на различные вопросы (например, кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промышленная зона? Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?).
Визуализация данных. Например, представление данных в виде карты или графика.

Возможности ГИС

ГИС включают в себя возможности СУБД , редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне. ГИС позволяют решать широкий спектр задач - будь то анализ таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи.

ГИС-система позволяет:

определить какие объекты располагаются на заданной территории;
определить местоположение объекта (пространственный анализ);
дать анализ плотности распределения по территории како-то явления(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 оперируют пространственно-временными данными.

Области применения ГИС

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 позволяют решать полный комплекс задач по развитию территории, оптимизации инфраструктуры строящегося района, требующегося количества техники, сил и средств.
Тематическое картографирование.
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.

Сельское хозяйство

Перед началом каждого сельскохозяйственного сезона фермеры должны принять 50 важнейших решений: что выращивать, когда сеять, использовать ли удобрения и т. д. Любое из них может отразиться на урожайности и на конечном результате. Прежде фермеры принимали такие решения, основываясь на прошлом опыте, традиции или даже разговорах с соседями и другими знакомыми. Сегодня сельское хозяйство порождает больше данных с географической привязкой, чем большинство других отраслей. Данные поступают из различных источников: телеметрии машин, метеорологических станций, наземных датчиков, образцов почвы, наземного наблюдения, спутников и беспилотников. С помощью ГИС сельскохозяйственные компании могут собирать, обрабатывать и анализировать данные для максимизации ресурсов, мониторинга сохранности урожая и повышения урожайности .

Перевозки и логистика

Перемещение людей и вещей часто сопряжено с огромными логистическими трудностями. Представьте себе больницу, которая хочет предоставить своим пациентам в определенное время лучший и самый быстрый маршрут до дома, или орган местного самоуправления, который хочет организовать оптимальные маршруты автобусов и скоростных трамваев, или производителя, который хочет как можно эффективнее и экономичнее доставлять свои продукты, или нефтяную компанию, которая планирует прокладку трубопроводов. В каждом из этих случаев для принятия бизнес-решений на основе полной информации необходим анализ данных о местополождении.

Энергетика

В разведке запасов энергоносителей для определения экономической целесообразности добычи в той или иной местности используются спутниковые фотографии, геологические карты поверхности земли и дистанционное зондирование пластов. Энергетические компании используют огромный объем географических данных, поскольку промышленные сенсоры сейчас устанавливаются везде: лазерные сенсоры на самолетах, датчики на поверхности земли при бурении скважин, мониторы трубопроводов и т. д. Картографирование и пространственный анализ дают необходимые знания для принятия решений с соблюдением требований регуляторов о выборе площадок и локализации ресурсов.

Розничная торговля

В связи с тем, что потребители все шире используют смартфоны и носимые устройства, традиционные продавцы могут использовать геопространственную технологию для получения более полной картины поведения покупателей в прошлом и настоящем. Потому что геопространственные данные не сводятся к определению местоположения, а охватывают связанные с этим положением данные, такие как демографические характеристики покупателей или информацию о том, где в магазине люди проводят больше всего времени. Все эти данные можно использовать при выборе места для магазина, определении набора товаров и их размещении и т. д.

Оборона и разведка

Геопространственная технология изменила военные и разведывательные операции в любой части мира, где размещены воинские контингенты. Командование, аналитики и другие специалисты нуждаются в точных данных ГИС для решения своих задач. ГИС помогает оценивать ситуацию (создает полное визуальное представление тактической информации), проводить операции на суше (показывает условия местности, высоты, маршруты, растительный покров, объекты и населенные пункты), в воздухе (передает данные о погоде и видимости пилотам; направляет войска и снабжение, дает целеуказание) и на море (показывает течения, высоту волн, приливы и погоду).

Федеральное правительство

Своевременная и точная геопространственная разведка имеет важнейшее значение для принятия решений федеральными агентствами, которые отвечают за охрану и безопасность, инфраструктуру, управление ресурсами и качество жизни. ГИС позволяет организовать охрану и безопасность с операционной поддержкой, координировать оборону, реагирование на природные катастрофы, действия правоохранительных органов, органов национальной безопасности и экстренных служб. Что касается инфраструктуры, то ГИС помогает управлять ресурсами и активами, предназначенными для автомагистралей, портов, общественного транспорта и аэропортов. Федеральные агентства также используют ГИС для лучшего понимания актуальных и исторических данных, необходимых для управления сельским и лесным хозяйством, горнодобывающей промышленностью, водными и другими природными ресурсами.

Местные органы власти

Местные органы ежедневно принимают решения, напрямую затрагивающие жителей и приезжих. Начиная с ремонта дорог и коммунальных услуг и заканчивая оценкой стоимости земли и развитием территорий - везде картографические приложения применяются для анализа и интерпретации данных ГИС. Кроме того, население и ландшафт городов и поселков может сильно измениться за сравнительно короткое время. Чтобы адаптироваться к этим изменениям и обеспечить людям тот уровень обслуживания, которого они ожидают, местные органы власти широко применяют современную технологию ГИС для наблюдения за дорожным движением и дорожными условиями, качеством окружающей среды, распространением заболеваний, распределением предприятий коммунального хозяйства (например, электро- и водоснабжения и канализации), для управления парками и другими общественными участками земли, а также для выдачи разрешений на создание кемпингов, на охоту, рыбалку и т. д.

Структура ГИС

Состав ГИС.

ГИС-система включает в себя пять ключевых составляющих:

аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров;
программное обеспечение. Cодержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической информации. К таким программным продуктам относятся: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации;
данные. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД , применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных;
исполнители. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники, которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы;
методы.

История ГИС

Пионерский период (поздние 1950е - ранние 1970е гг.)

Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы.

Появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах.
Появление цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х.
Создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров.
Создание формальных методов пространственного анализа.
Создание программных средств управления базами данных.

Период государственных инициатив (нач. 1970е - нач. 1980е гг.)

Государственная поддержка ГИС стимулировала развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям:

Автоматизированные системы навигации.
Системы вывоза городских отходов и мусора.
Движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т. д.

Период коммерческого развития (ранние 1980е - настоящее время)

Широкий рынок разнообразных программных средств, развитие настольных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений, появление значительного числа непрофессиональных пользователей, системы, поддерживающие индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, открывают путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы геоданных.

Пользовательский период (поздние 1980е - настоящее время)

Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и «открытость» программных средств позволяет использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских «клубов», телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры.

Структура ГИС

Данные (пространственные данные):
- позиционные (географические): местоположение объекта на земной поверхности.
- непозиционные (атрибутивные): описательные.
Аппаратное обеспечение (ЭВМ, сети, накопители, сканер, дигитайзеры и т. д.).
Программное обеспечение (ПО).
Технологии (методы, порядок действий и т. д.).

ГИС - это современные геоинформационные мобильные системы, которые обладают возможностью отображать свое местоположение на карте. В основе этого важного свойства лежит использование двух технологий: геоинформационной и Если мобильное устройство имеет встроенный GPS-приемник, то с помощью такого прибора можно определить его местоположение и, следовательно, точные координаты самой ГИС. К сожалению, геоинформационные технологии и системы в русскоязычной научной литературе представлены небольшим количеством публикаций, вследствие этого практически полностью отсутствует информация об алгоритмах, лежащих в основе их функциональных возможностей.

Классификация ГИС

Подразделение геоинформационных систем происходит по территориальному принципу:

Глобальная ГИС используется для предотвращения техногенных и природных катаклизмов с 1997 года. Благодаря этим данным можно за относительно короткое время спрогнозировать масштабы катастрофы, составить план ликвидации последствий, оценить нанесенный ущерб и людские потери, а также организовать гуманитарные акции.
Региональная геоинформационная система разработана на муниципальном уровне. Она позволяет местным властям прогнозировать развитие определенного региона. Данная система отражает практически все важные сферы, например инвестиционные, имущественные, навигационно-информационные, правовые и др. Также стоит отметить, что благодаря использованию данных технологий появилась возможность выступать гарантом безопасности жизнедеятельности всего населения. Региональная геоинформационная система в настоящее время используется достаточно эффективно, способствуя привлечению инвестиций и стремительному росту экономики района.

Каждая из вышеописанных групп имеет определенные подвиды:

В глобальную ГИС входят национальные и субконтинентальные системы, как правило, с государственным статусом.
В региональную - локальные, субрегиональные, местные.

Сведения о данных информационных системах можно найти в специальных разделах сети, которые называются геопорталами. Они размещаются в открытом доступе для ознакомления без каких-либо ограничений.

Принцип работы

Географические информационные системы работают по принципу составления и разработки алгоритма. Именно он позволяет отображать движение объекта на карте ГИС, включая перемещение мобильного устройства в пределах локальной системы. Чтобы изобразить данную точку на чертеже местности, необходимо знать, по крайней мере, две координаты - X и Y. При отображении движения объекта на карте потребуется определить последовательность координат (Xk и Yk). Их показатели должны соответствовать разным моментам времени локальной системы ГИС. Это является основой для определения местонахождения объекта.

Данную последовательность координат можно извлечь из стандартного NMEA-файла GPS-приемника, выполнившего реальное движение на местности. Таким образом, в основе рассматриваемого здесь алгоритма лежит использование данных NMEA-файла с координатами траектории объекта по определенной территории. Необходимые данные можно получить также в результате моделирования процесса движения на основе компьютерных экспериментов.

Алгоритмы ГИС

Геоинформационные системы построены на исходных данных, которые берутся для разработки алгоритма. Как правило, это набор координат (Xk и Yk), соответствующий некоторой траектории объекта в виде NMEA-файла и цифровой карты ГИС на выбранном участке местности. Задача заключается в разработке алгоритма, отображающего движение точечного объекта. В ходе данной работы были проанализированы три алгоритма, лежащих в основе решения поставленной задачи.

Первый алгоритм ГИС - это анализ данных NMEA-файла с целью извлечения из него последовательности координат (Xk и Yk),
Второй алгоритм используется для вычисления путевого угла объекта, при этом отсчет параметра выполняется от направления на восток.
Третий алгоритм - для определения курса объекта относительно стран света.

Обобщенный алгоритм: общее понятие

Обобщенный алгоритм отображения движения точечного объекта на карте ГИС включает три указанных ранее алгоритма:

анализ данных NMEA;
вычисление путевого угла объекта;
определение курса объекта относительно стран всего земного шара.

Географические информационные системы с обобщенным алгоритмом оснащены основным управляющим элементом - таймером (Timer). Стандартная задача его заключается в том, что он позволяет программе генерировать события через определенные промежутки времени. С помощью такого объекта можно устанавливать требуемый период для выполнения набора процедур или функций. Например, для многократно выполняемого отсчета интервала времени в одну секунду надо установить следующие свойства таймера:

Timer.Interval = 1000;
Timer.Enabled = True.

В результате каждую секунду будет запускаться процедура считывания координат X, Y объекта из NMEA-файла, вследствие чего данная точка с полученными координатами отображается на карте ГИС.

Принцип работы таймера

Использование геоинформационных систем происходит следующим образом:

На цифровой карте отмечаются три точки (условное обозначение - 1, 2, 3), которые соответствуют траектории движения объекта в различные моменты времени tk2, tk1, tk. Они обязательно соединены сплошной линией.
Включение и выключение таймера, управляющего отображением передвижения объекта на карте, осуществляется с помощью кнопок, нажимаемых пользователем. Их значение и определенную комбинацию можно изучить по схеме.

NMEA-файл

Опишем кратко состав NMEA-файла ГИС. Это документ, записанный в формате ASCII. По сути, он представляет собой протокол для обмена информацией между GPS-приемником и другими устройствами, например ПК или КПК. Каждое сообщение NMEA начинается со знака $, за которым следует двухсимвольное обозначение устройства (для GPS-приемника — GP) и заканчивается последовательностью \r\n — символом перевода каретки и перехода на новую строку. Точность данных в уведомлении зависит от вида сообщения. Вся информация содержится в одной строке, причем поля разделяются запятыми.

Для того чтобы разобраться, как работают геоинформационные системы, вполне достаточно изучить широко используемое сообщение типа $GPRMC, которое содержит минимальный, но основной набор данных: местоположение объекта, его скорость и время.
Рассмотрим на определенном примере, какая информация в нем закодирована:

дата определения координат объекта — 7 января 2015 г.;
всемирное время UTC определения координат — 10h 54m 52s;
координаты объекта — 55°22.4271" с.ш. и 36°44.1610" в.д.

Подчеркнем, что координаты объекта представлены в градусах и минутах, причем последний показатель дается с точностью до четырех знаков после запятой (или точки как разделителя целой и дробной частей вещественного числа в формате USA). В дальнейшем понадобится то, что в NMEA-файле широта местоположения объекта находится в позиции после третьей запятой, а долгота — после пятой. В конце сообщения передается после символа "*" в виде двух шестнадцатеричных цифр — 6C.

Геоинформационные системы: примеры составления алгоритма

Рассмотрим алгоритм анализа NMEA-файла с целью извлечения набора координат (X и Yk), соответствующих объекта. Он составляется из нескольких последовательных шагов.

Определение координаты Y объекта

Алгоритм анализа данных NMEA

Шаг 2. Найти позицию третьей запятой в строке (q).

Шаг 3. Найти позицию четвертой запятой в строке (r).

Шаг 4. Найти, начиная с позиции q, символ десятичной точки (t).

Шаг 5. Извлечь один символ из строки, находящийся в позиции (r+1).

Шаг 6. Если этот символ равен W, то переменная NorthernHemisphere получает значение 1, иначе -1.

Шаг 7. Извлечь (г—+2) символов строки, начиная с позиции (t-2).

Шаг 8. Извлечь (t-q-3) символов строки, начиная с позиции (q+1).

Шаг 9. Преобразовать строки в вещественные числа и вычислить координату Y объекта в радианной мере.

Определение координаты X объекта

Шаг 10. Найти позицию пятой запятой в строке (n).

Шаг 11. Найти позицию шестой запятой в строке (m).

Шаг 12. Найти, начиная с позиции n, символ десятичной точки (p).

Шаг 13. Извлечь один символ из строки, находящийся в позиции (m+1).

Шаг 14. Если этот символ равен "E", то переменная EasternHemisphere получает значение 1, иначе -1.

Шаг 15. Извлечь (m-p+2) символов строки, начиная с позиции (p-2).

Шаг 16. Извлечь (p-n+2) символов строки, начиная с позиции (n+1).

Шаг 17. Преобразовать строки в вещественные числа и вычислить координату X объекта в радианной мере.

Шаг 18. Если NMEA-файл не прочитан до конца, то перейти к шагу 1, иначе перейти к шагу 19.

Шаг 19. Закончить алгоритм.

На шаге 6 и 16 данного алгоритма используются переменные NorthernHemisphere и EasternHemisphere для численного кодирования местоположения объекта на Земле. В северном (южном) полушарии переменная NorthernHemisphere принимает значение 1 (-1) соответственно, аналогично в восточном EasternHemisphere - 1 (-1).

Применение ГИС

Применение геоинформационных систем широко распространено во многих областях:

геологии и картографии;
торговли и услугах;
кадастре;
экономике и управлении;
обороны;
инженерии;
образовании и др.

Применение ГИС для решения различных задач, в разных организационных схемах и с разными требованиями, обуславливает разные подходы к процессу проектирования ГИС.

Выделяют пять основных этапов процесса проектирования ГИС.

1. Анализ системы принятия решений. Процесс начинается с определения всех типов решений, для принятия которых требуется информация. Должны быть учтены потребности каждого уровня и функциональной сферы.

2. Анализ информационных требований. Определяется, какой тип информации нужен для принятия каждого решения.

3. Агрегирование решений, т.е. группировка задач, в которых для принятия решений требуется одна и та же или значительно перекрывающаяся информация.

4. Проектирование процесса обработки информации. На данном этапе разрабатывается реальная система сбора, хранения, передачи и модификации информации. Должны быть учтены возможности персонала по использованию вычислительной техники.

5. Проектирование и контроль над системой. Важнейший этап - это создание и воплощение системы. Оценивается работоспособность системы с разных позиций, при необходимости осуществляется корректировка. Любая система будет иметь недостатки, и поэтому её необходимо делать гибкой и приспособляемой.

Геоинформационные технологии призваны автоматизировать многие трудоёмкие операции, ранее требовавшие больших временных, энергетических, психологических и других затрат от человека. Однако разные этапы технологической цепочки поддаются большей или меньшей автоматизации, что в значительной степени может зависеть от правильной постановки исходных задач.

Прежде всего, это формулирование требований к используемым информационным продуктам и выходным материалам, получаемым в результате обработки. Сюда можно отнести требования к распечатке карт, таблиц, списков, документов; к поиску документов и т.д. В результате должен быть создан документ с условным названием «Общий список входных данных».

Следующий шаг - определение приоритетов, очерёдности создания и основных параметров (территориального охвата, функционального охвата и объёма данных) создаваемой системы. Далее устанавливают требования к используемым данным с учётом максимальных возможностей их применения.

ЛЕКЦИЯ 10. КОНЦЕПЦИЯ ГИС И ТРЕБОВАНИЯ

Виды ГИС

Географическая информационная система (ГИС) - это система для управления географической информацией, ее анализа и отображения. Географическая информация представляется в виде серий наборов географических данных, которые моделируют географическую среду посредством простых обобщенных структур данных. ГИС включает наборы инструментальных средств для работы с географическими данными.

Географическая информационная система поддерживает несколько видов для работы с географической информацией:

1. Вид Базы Геоданных: ГИС - это пространственная база данных, содержащая наборы данных, которые представляют географическую информацию в контексте общей модели данных ГИС (векторные объекты, растры, топология, сети и т.д.)

2. Вид Геовизуализации: ГИС - это набор интеллектуальных карт и других видов, которые показывают пространственные объекты и отношения между объектами на земной поверхности. Могут быть построены разные виды карт, и они могут использоваться как “окна в базу данных” для поддержки запросов, анализа и редактирования информации.

3. Вид Геообработки: ГИС - это набор инструментов для получения новых наборов географических данных из существующих наборов данных. Функции обработки пространственных данных (геообработки) извлекают информацию из существующих наборов данных, применяют к ним аналитические функции и записывают полученные результаты в новые производные наборы данных.

В программном обеспечении ESRI ® ArcGIS ® эти три вида ГИС представлены каталогом (ГИС как коллекция наборов геоданных), картой (ГИС как интеллектуальный картографический вид) и набором инструментов (ГИС как набор инструментов для обработки пространственных данных). Все они являются неотъемлемыми составляющими полноценной ГИС и в большей или меньшей степени используются во всех ГИС-приложениях.

Рис. 1.

Вид базы геоданных

ГИС - это особый тип базы данных об окружающем мире - географическая база данных (база геоданных). В основе ГИС лежит структурированная база данных, которая описывает мир в географическом аспекте.

Приведем краткий обзор некоторых ключевых принципов, важных для понимания баз геоданных.

Географическое представление

Создавая дизайн базы геоданных ГИС, пользователи определяют, как будут представляться разные пространственные объекты. Например, земельные участки обычно представляются как полигоны, улицы - как центральные линии, скважины - как точки, и т.д. Эти объекты группируются в классы объектов, в которых каждый набор имеет единое географическое представление.

Каждый набор данных ГИС дает пространственное представление какого-то аспекта окружающего мира, включая:

· Упорядоченные наборы векторных объектов (наборы точек, линий и полигонов)

· Наборы растровых данных, такие как цифровые модели рельефа или изображения

· Пространственные сети

· Топография местности и другие поверхности

· Наборы данных геодезической съемки

· Прочие типы данных, такие как адреса, названия мест, картографическая информация

ГИС (расшифровывается как «Географические Информационные Системы») - компьютерные системы, дающие возможность вывода данных на экран в электронном виде. Изображения, получаемые посредством ГИС, относятся к картам нового поколения.

География на экране

Такие карты могут быть снабжены помимо географических и другими данными из области статистики, демографии и т. п. С ними возможны разные виды аналитических операций, недоступные для старых бумажных носителей.

Техническая поддержка электронных карт существует в виде огромного количества аналитики, инструментов редактирования, обширных баз данных. При их создании и использовании задействовано множество современных средств - от сканеров до космических спутников, делающих снимки земной поверхности.

Полученная с помощью новых технологий информация находит применение не только у географов, но и в среде бизнеса, строительства, маркетинга, государственного управления. Даже домохозяйкам известно, что такое геоинформационные системы. И они вполне успешно пользуются электронными картами!

ГИС - определение и основные понятия

Что же конкретно обозначает этот термин? Геоинформационные системы (ГИС) - название систем, назначением которых является сбор, хранение и анализ данных пространственного характера, а также их графическая визуализация. ГИС относится к компьютерным технологиям нового поколения. Наука, изучающая прикладные и технические аспекты работы с ГИС, - геоинформатика.

ГИС - это удачное сочетание возможности работы с базами данных (запросы, аналитика) и пространственной визуализации, характерной для карт. Хранение данных в такой системе ведется по тематическим слоям, привязанным к географическому местоположению. ГИС работают и с растровыми, и с векторными данными, благодаря чему любая задача, связанная с пространственной информацией, может быть с их помощью эффективно решена.

Что их отличает

К характерным особенностям, которыми обладает геоинформационная система, можно отнести развитую аналитику, работу с огромными массивами сведений, наличие специальных инструментов для обработки данных пространственного характера.

Их основные преимущества - удобство для пользователя (данные в трехмерном измерении наиболее легки для восприятия), возможность интегрировать информацию, накопленную различными источниками, создавать единый массив для коллективного использования.

Затем - автоматический анализ геопространственных данных и отчет, использование расшифровки аэро- и космической съемки, ранее созданных схем и планов местности, что на порядок повышает эффективность применения. Значительная экономия временных ресурсов и возможность создания трехмерных моделей географических объектов.

Главные задачи

Функции ГИС - это ряд операций по:

вводу данных (цифровые карты создаются в автоматическом режиме),
управлению данными (все они сохраняются с возможностью последующей обработки и использования),
их запросу и анализу путем сопоставления множества параметров,
визуализации полученных и обработанных данных в форме интерактивных карт.

Отчеты о каждом объекте могут принимать вид графика, диаграммы или трехмерного изображения.

Возможности ГИС

С помощью системы ГИС становится возможным определение на заданной территории наличия, количества и взаимного расположения всех имеющихся объектов. Кроме того, с ее помощью проводят, например, анализ геопространственных данных, характеризующих плотность расселения и т. п. и определяют различные изменения во времени.

С помощью систем ГИС стало возможным смоделировать предполагаемую ситуацию, касающуюся, например, добавления нового объекта - дороги, жилого массива и т. п.

ГИС - классификация

Классификаций этих систем существует несколько. Если делить их по принципу охвата территории, то каждую ГИС можно будет отнести к глобальным, субконтинентальным, национальным, региональным, субрегиональным, а также местным или локальным системам.

Если отталкиваться от уровня управления, то данные системы состоят из федеральных, региональных, муниципальных и корпоративных.

Различают их и по функционалу. ГИС (расшифровка аббревиатуры понятна большому числу пользователей) могут быть как полнофункциональными, так и специализированными, предназначенными для решения определенных задач - например, просмотра данных, их ввода и обработки.

В зависимости от предметной области ГИС можно отнести к картографическим, геологическим, природоохранным, а также муниципальным или городским.

Интегрированные географические информационные системы - те, в которых, помимо стандартного функционала, имеется возможность подвергать изображения цифровой обработке. Полномасштабные ГИС воспроизводят данные в любом выбранном масштабе. Пространственно-временные системы дают возможность оперировать информацией в прошлом или будущем времени.

Где применяются ГИС

ГИС - это универсальный инструмент с обширной сферой применения. Какой же именно?

Типичная область их использования - управление земельными ресурсами, составление кадастров, вычисление площадей и установка границ земельных участков. Как раз для решения таких проблем и создавались первые подобные системы.
Другая сфера - управление объектами инфраструктуры производственного характера, их учет, планирование, инвентаризация. Создание и размещение сети объектов определенного назначения - магазинов, заправочных станций и т. п.
Инженерные изыскания и планирование в сфере архитектуры и строительства, решение задач по развитию территории и оптимизации ее инфраструктуры.
Создание тематических карт.
Управление всеми видами транспорта - от наземного до водного и воздушного.

Иные сферы

Деятельность по охране природы, экологические мероприятия, планирование и управление природными ресурсами, экологический мониторинг, моделирование процессов окружающей среды.

Сфера геологии и горнодобывающей промышленности. С помощью ГИС стало возможным подсчитать запас полезных ископаемых на основе проб разведочного бурения и моделирования структуры месторождения.

Дальнейшее развитие

С 70-х гг. благодаря государственной поддержке появились экспериментальные проекты по применению ГИС в системах навигации и вывоза мусора, транспортном движении и пр.

С 80-х гг. начался период развития на коммерческой основе. Рынок наполнился массой программных средств, появились всевозможные приложения, количество пользователей, узнавших, что такое ГИС-технологии, превысило число специалистов-профессионалов.

В настоящий период, который можно назвать пользовательским, благодаря высокой конкуренции в среде производителей стало возможным создание тематических групп потребителей, проведение телеконференций, формирование единой мировой геоструктуры.

О перспективах ГИС

Новым этапом эволюции в развитии ГИС можно считать появление геодизайна, который требуется сейчас везде - от сферы землепользования и природной охраны до планирования новой инфраструктуры и объектов строительства, а также при обслуживании коммунальных сетей и т. д.

Будущее принадлежит ГИС-технологиям, содержащим начала искусственного интеллекта. Современные ГИС - это новейшие компьютерные разработки, основанные на применении космической и аэрофотосъемки, служащие для реализации глобальных государственных программ.

Сейчас ГИС-системы развиваются невиданными темпами и относятся к числу наиболее интересных в коммерческом плане решений. В России в наши дни их разработкой и внедрением заняты около 200 различных организаций, что позволяет говорить о конкуренции с западными производителями. Уже ни для кого не секрет, что за новыми технологиями - огромные перспективы, основанные на дальнейшем развитии компьютерных средств обработки информации.