Геоинформационная Система (ГИС) - программно-аппаратный комплекс, предназначенный для сбора, управления, анализа и отображения пространственно-распределенной информации.

В простейшем варианте геоинформационные системы - сочетание обычных баз данных (атрибутивной информации) с электронными картами, то есть мощными графическими средствами. Основная идея ГИС - связь данных на карте и в базе данных.

Но ГИС - это и аналитические средства для работы с любой координатно-привязанной информацией. В принципе, ГИС можно рассматривать как некое расширение концепции баз данных. В этом смысле ГИС фактически представляет собой новый уровень и способ интеграции и структурирования информации.

ГИС предлагает совершенно новый путь развития картографии. Преодолеваются основные недостатки обычных карт - их статичность и ограниченная емкость как носителя информации. В последние десятилетия бумажные карты из-за перегруженности информацией становятся нечитабельными. ГИС же обеспечивает управление визуализацией информации. Появляется возможность выводить (на экран, на твердую копию) только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. Фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом улучшается структурированность информации, а, следовательно, повышается эффективность ее обработки и анализа.

В ГИС становится динамическим т.е:

• изменение масштаба;
• преобразование картографических проекций;
• варьирования объектным составом карты (что выводится);
• возможности “опрашивать” через карту в режиме реального времени многочисленные базы данных;
• изменения способа отображения объектов (цвет, тип линии и т.п.), в том числе и определения символогии через значения атрибутов, то есть синхронизации визуализации с изменениями в базах данных;
• легкости внесения любых изменений.

Программное обеспечение ГИС.

Чтобы охарактеризовать ГИС-продукцию, выделим следующие ее категории:

-            специализированное программное обеспечение;

-            комплексные системы, включающие все виды обеспечения (методическое, программное, техническое и др.), присущие развитым информационным системам;

-            геоинформационные базы данных различного назначения на носителях цифровой информации;

-            аэро- и космические снимки, тематические карты и изображения, текстовые отчеты.

Рассмотрим подробнее категорию «специализированное программное обеспечение».

Основываясь на данных Ассоциации развития рынка геоинформационных технологий и услуг, можно выделить несколько классов программного обеспечения, различающегося по своим функциональным возможностям и технологическим этапам обработки информация:

-            инструментальные ГИС;

-            ГИС-вьюверы;

-            средства обработки данных дистанционного зондирования;

-            векторизаторы растровых картографических изображений;

-            средства пространственного моделирования;

-            справочно-картографические системы.

Инструментальные ГИС.

Это в наибольшем числе случаев самодостаточный пакет, включающий такой набор функционала, который покрывает все стадии технологической цепочки: ввод - обработка и анализ - вывод результатов.

Самые мощные представители этого класса именуются «full GIS» (полнофункциокальная ГИС). Они обеспечивают:

-            двустороннюю связь между картографическими объектами и записями табличной базы данных;

-            управление визуализацией объектов;

-            работу с точечными, линейными и площадными объектами;

-            ввод карт с дигитайзера и их редактирование;

-            геометрические измерения на карте (длина, периметр, площадь);

-            решение транспортных задач (кратчайший путь на графе и т.п.);

-            работу с цифровой моделью рельефа;

-            обработку данных съемки местности;

-            поддержку разработчика встроенными средствами программирования.

Наиболее известными представителями этого класса являются:

-            линия пакетов ARC/INFO компании ESRI, США (ARC/INFO, PC ARC/INFO, ArcCAD);

-            SMALLWORLD (SmallWorld System, Великобритания);

-            MapInfo (MapInfo Corporation, США).

ГИС-вьюеры.

Эти недорогие (по сравнению с full GIS), облегченные пакеты с ограниченной возможностью редактирования данных предназначены в основном для визуализаций и выполнения запросов к базам данных (в том числе и графическим), подготовленным в среде инструментальных ГИС. Большинство из них позволяют оформить и вычертить карту.

Как правило, все разработчики полнофункциональных ГИС предлагают и ГИС-вьюверы: ArcView (ESRI, США), WinCAT (Simens Nixdorf, Германия).

Основные понятия.

Геоинформатика достаточно новая наука, поэтому ее термины еще недостаточно устоялись. Ниже приведены основные понятия, которые необходимо уяснить для дальнейшего проектирования и построения ГИС. В том или ином виде они присутствуют во всех современных геоинформационных системах.

Карта. 

Термин карта означает здесь набор географических слоев, каждый из которых привносит в карту информацию по какой-либо определенной теме. Например, на слой границ некоторой территории может быть нанесен слой рек, затем слой, отображающий количество атмосферных осадков в процентном отношении и т.д. Таким образом, манипулируя тематическими слоями, пользователь имеет возможность анализа информации в более естественном виде, чем голые колонки цифр. Это в свою очередь повышает эффективность и сокращает время принятия решений.

Слой. 

Слои в карте подразделяются на два основных вида - растровые и векторные.

Векторные слои - это совокупность простых геометрических объектов (точка, дуга, полигон), которые представляют те или иные объекты на местности. Векторные слои могут также хранить топологию, т.е. информацию о взаимном расположении объектов.

Растровые слои представляют собой сплошные изображения. Они не могут содержать объекты. Однако они могут служить фоном для векторных слоев. Это полезно, например, в фотограмметрии при преобразовании отсканированных аэрофотоснимков в векторный формат и т.п.

Объект. 

Каждому объекту векторного слоя может соответствовать запись в базе данных, чем обеспечивается привязка информации к местности. Это соответствие может обеспечиваться в частности назначением каждому объекту соответствующего идентификатора.

Терминология ГИС.

Данные, представленные в ГИС, делятся на две категории: пространственные (местоположение) и непространственные (атрибуты).

Пространственные данные включают географические объекты, представляемые: точками, линиями и полигонами.

В реальном мире точки представляют деревья, фонарные столбы или несколько объектов, расположение которых описывается единственной точкой.

Дугами описываются те реальные объекты, которые можно рассматривать как линии. Дуга состоит из отрезков линий и дуг окружностей. В реальном мире дуга может быть дорогой, рекой, ЛЭП или подземной коммуникацией, например водопроводной или канализационной системой.

Полигоны - замкнутые области, которые представляют однородные по некоторым критериям участки. Полигонами обозначают типы почв, избирательные округа, земельные участки или контуры зданий.

Атрибутивные данные могут включать идентификатор объекта, любую описательную информацию из баз данных, изображение и многое другое.

ГИС - не только и не столько информационные системы для географии, сколько информационные системы с географически организованной информацией.

В цифровой карте фиксируются пространственные объекты, связи и отношения между ними, а также пользовательские идентификаторы пространственных объектов, обеспечивающие связь с их содержательными характеристиками. Содержательные характеристики объектов фиксируются в виде таблиц, каждая запись в которых соотносится с определенным пространственным объектом цифровой карты через пользовательский идентификатор, указанный и в записи, и в цифровой карте. При цифровании карт с помощью дигитайзера они представляются в векторном формате, где элементарными объектами являются точки, считываемые дигитайзером, а структура связей между этими точками, формирующая на их основе более сложные объекты (отрезки, дуги, полигоны) задается обслуживающими ввод и редактирование программными средствами.

При цифровании карт выделяется три типа объектов, к которым можно отнести любой из имеющихся на карте:

Точечный объект - отдельная пара координат X, Y. Определяет объект, локализованный в пункте, чьи размеры слишком малы, чтобы можно было отразить его форму (границы, площадь) в масштабе карты. Может также представлять некий условный объект, не имеющий размеров, например, отметку высот.

Линейный объект - объект, локализованный в виде линии, чья ширина не выражается в масштабе карты-источника - река, дорога и т. д. Может также представлять некий условный объект, например, границу.

Полигональный объект - объект, имеющий площадь, выражающуюся в масштабе карты-источника. Определяется замкнутым контуром и его внутренней областью, например, лес, озеро.

При переводе карты в цифровую форму, объекты абстрагируются от своей географической (или геологической, например) сущности, и работа с ними, как с пространственными объектами (в среде цифровой карты) проводится, опираясь на следующие определения:

Точка - пара координат X, Y.

Отрезок - линия, соединяющая две точки.

Вершина - начальная или конечная точка отрезка.

Дуга (линия) - упорядоченный набор связных отрезков (или вершин).

Узел - начальная или конечная вершина дуги.

Висячий узел - узел, принадлежащий только одной дуге, у которой начальная и конечная вершины не совпадают.

Псевдоузел - узел, принадлежащий только двум дугам либо одной дуге, у которой начальная и конечная вершины совпадают (замкнутой дуге). Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней в этом узле (такой узел является нормальным).

Нормальный узел - узел, принадлежащий трем и более дугам. Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней в этом узле (такой узел является нормальным).

Висячая дуга - дуга, имеющая висячий узел.

Замкнутая дуга - дуга, у которой совпадают начальная и конечная вершины (у такой дуги имеется только один узел).

Полигон - единичная область, ограниченная (находящаяся внутри) замкнутой дугой или упорядоченным набором связных дуг, которые образуют замкнутый контур.

Покрытие - набор файлов, фиксирующий в виде цифровых записей пространственные объекты - точки, дуги , полигоны - и структуру отношений между ними. Пустое покрытие - покрытие, в котором отсутствуют пространственные объекты.

Слой - покрытие, рассматриваемое в контексте его содержательной определенности (растительность, рельеф, административное деление и т.п.) или его статуса в среде редактора (активный слой, пассивный слой).

Цифровая карта - цифровая модель геосистемы, представленная в виде композиции из одного или нескольких слоев.

Внутренний идентификатор пространственного объекта - целое число, являющееся служебным идентификатором системы (уникальное для каждого объекта данного покрытия и назначаемое автоматически в процессе работы редактора). Может изменяться системой в процессе работы.

Пользовательский идентификатор пространственного объекта - целое число, предназначенное для связи объектов цифровой карты с базой (таблицами) тематических данных, назначаемое пользователем. Пользовательские идентификаторы назначаются или изменяются только пользователем.

Области применения ГИС.

Области применения ГИС чрезвычайно многообразны. Прежде всего это различные кадастры, системы управления распределенным хозяйством и инфраструктурой. Это могут быть специализированные приложения, например, для системы электрических сетей энергетической компании, кабельной сети телефонной или телевизионной компании, системы сложного трубопроводного хозяйства большого химического завода, земельного кадастра, системы для торговцев недвижимостью. Или это могут быть комплексные системы, обслуживающие многие составляющие инфраструктуры города или территории и способные решать комплексные задачи управления и планирования. Конкретные цели и задачи в таких системах могут быть очень разнообразны: от задач инвентаризации и учета, справочных систем общего пользования до налогообложения, градостроительно-планировочных задач, планирования новых транспортных маршрутов и оптимизации перевозок, распределения сети ресурсов и услуг (складов, магазинов, станций скорой помощи, пунктов проката автомобилей). Системы для муниципального хозяйства и землепользования составляют существенную часть потенциального рынка ГИС в России, м.б. даже большую часть. На второе место я бы поставил применения, связанные с учетом, изучением и использованием природных ресурсов, включая сюда и охрану окружающей среды. Использование ГИС в геологии, как в научных, так и в практических задачах. Это не только задачи информационного обеспечения, но и, например, задача прогнозирования месторождений полезных ископаемых, контроль за экологическими последствиями разработок. Отдельно следует выделить транспортные задачи: планирование новых маршрутов транспорта и оптимизация процесса перевозок с возможностью учета распределения ресурсов и меняющейся транспортной обстановки (ремонты, пробки, таможенные барьеры). Особенно перспективными в стратегическом плане предполагаются навигационные системы, особенно базирующиеся на GPS (Global Positioning System - спутниковые системы навигации) с использованием цифровой картографии. Применения ГИС мы только перечислим: военное дело, картографические и геодезические работы, органы внутренних дел, бизнес, поддержка принятия решения при чрезвычайных ситуациях.