Курс лекций по дисциплине Геоинформатика Часть1 Основные определения

Курс лекций по дисциплине Геоинформатика Часть1. Основные определения Ушканова Е. В. 11. 02. 2018 1

Дисциплина «Геоинформатика» относится к циклу профессиональных дисциплин и является базой для усвоения таких дисциплин, как «Геоинформационные системы» , «Основы геоинформационного анализа» , «Программирование в среде ГИС» , «Публикация ГИС в Интернет» , «Программные средства дешифрирования космических снимков» и др. Дисциплина для бакалавров 1 курса направления 230400 «Информационные системы и технологии» читается в 2 семестре и заканчивается зачетом. 11. 02. 2018 2

Настоящий курс посвящен Геоинформатике и географическим информационным системам (ГИС) – бурно развивающемуся направлению современных информационных технологий. Главная цель курса – изложить основные понятия геоинформатики и картографии, рассказать о принципах функционирования геоинформационных систем, показать конкретные примеры их применения в различных областях человеческой деятельности, обучить навыкам использования геоинформационных систем. 11. 02. 2018 3

Во все времена знания о пространственной ориентации физических объектов или, попросту говоря, об их географическом положении, были очень важны для людей. 11. 02. 2018 4

Карты являются одними из наиболее красивейших документов, рассказывающих об истории нашей цивилизации. Карта Аль-Идриси 11. 02. 2018 5

11. 02. 2018 6

11. 02. 2018 7

Карта Европы Меркатора 11. 02. 2018 8

Карта мира из «Атласа Г. Меркатора» в издании 1606 года 11. 02. 2018 9

Карта Новой Англии, составленная в 1685 году Николасом Висчером. 11. 02. 2018 10

Карта Фёдора Годунова, изданная Герритсом в Амстердаме 11. 02. 2018 11

11. 02. 2018 12

Развитие информационных технологий на базе вычислительной техники , создание автоматизированных , высокопроизводительных рабочих станций, банков данных и баз знаний, а также вычислительных сетей привело к появлению нового направления в информатике - геоинформатики, в основе которой лежат геоинформационные системы (ГИС) и геоинформационные технологии. В настоящее время существуют (функционируют) сотни ГИС различного уровня. 11. 02. 2018 13

Тысячи разных организаций и сотни тысяч пользователей используют технологии ГИС для изучения и обработки разнообразных наборов географически связанной информации. Налоговое управление с помощью ГИС создает карты землепользования для оценки и планирования. 11. 02. 2018 14

Управление водоснабжения осуществляет выбор заглушек, позволяющих изолировать поврежденный трубопровод. 11. 02. 2018 15

Управление внутренних дел изучает криминальную обстановку для планирования размещения персонала и контроля эффективности программ наблюдения. 11. 02. 2018 16

Технический отдел контролирует состояние дорог и мостов и создает карты прогноза стихийных бедствий. 11. 02. 2018 17

Управление системами теплоснабжения определяет участки, требующие ремонта после землетрясения. 11. 02. 2018 18

Телекоммуникационная компания изучает местность для размещения новых вышек в сети сотовой связи. 11. 02. 2018 19

Компания, владеющая сетью трубопроводов, определяет траекторию прокладки нового трубопровода с минимальной стоимостью. 11. 02. 2018 20

Гидрологическая станция изучает качество воды, обеспечивая защиту здоровья населения 11. 02. 2018 21

Электрическая компания моделирует схему электрической сети для минимизации потерь мощности и размещения новых устройств. 11. 02. 2018 22

Ученый-биолог изучает влияние планируемого строительства на бассейн реки. 11. 02. 2018 23

Метеоролог определяет путь опасного урагана, чтобы передать предупреждения в соответствующие районы. 11. 02. 2018 24

Бизнесмен выбирает место для новых торговых точек на основании оценки распределения потенциальных клиентов 11. 02. 2018 25

Управление чрезвычайных ситуаций планирует размещение средств оказания помощи на основании моделирования запросов и доступности. 11. 02. 2018 26

Пожарная служба составляет прогноз распространения лесного пожара на основании данных о территории и погоде 11. 02. 2018 27

Диспетчер определяет кратчайший путь к месту вызова. 11. 02. 2018 28

Управление водных ресурсов выполняет трассировку вверх по течению для обнаружения источника загрязнения. 11. 02. 2018 29

Что же это такое - Гео. Информационные Системы(ГИС)? Начнем с определения автоматизированной информационной системы обработки данных ( системы электронной обработки данных). Автоматизированная информационная система обработки данных - это система, выполняющая процедуры обработки данных для получения информации, полезной для принятия решений. 11. 02. 2018 30

Информационная система - это система вопросов-ответов для множества данных, которая включает в себя последовательность операций: получение данных , их анализ и использование для принятия решений. Следовательно, систему электронной обработки данных можно представить как четырехкомпонентную модель (см. рис. ), включающую пользовательский интерфейс и подсистемы ввода, вывода и анализа данных. 11. 02. 2018 31

11. 02. 2018 32

Все эти компоненты представляют аппаратное и программное обеспечение обработки данных. Классическими примерами автоматизированных информационных систем обработки данных являются: • информационные системы управления фирмой или предприятием; • банковские информационные системы; • библиотечные информационные системы; • автоматизированные системы управления полетами в авиации; • автоматизированные системы обработки аэрокосмических изображений • и другие информационные системы, обслуживающие государственные учреждения и частные фирмы. 11. 02. 2018 33

Среди множества различных видов информационных технологий, работающих с графической информацией, в картографии наиболее востребованы программные технологии ГИС и САПР. Кроме того, для работы с атрибутивной информацией используются технологии баз данных (БД). 11. 02. 2018 34

Системы автоматизированного проектирования (САПР) призваны автоматизировать различные этапы пространственного проектирования, имеют богатые средства для работы с чертежами и схемами элементов, а также позволяют работать с топографическими планами в крупном масштабе. Основной целью работы в САПР является создание проектно-технической документации в виде чертежей, таблиц и ведомостей. Кроме того, САПР используются и на этапе строительства, но в основном только для документирования результатов исполнительной съемки и их передачи в ГИС и БД. 11. 02. 2018 35

Геоинформационные системы (ГИС) предназначены для управления большим количеством разномасштабной картографической информации, анализа взаимосвязей объектов в пространстве, управления атрибутными характеристиками объектов. На этапах проектирования и планирования развития пространственных объектов ГИС помогают проанализировать различные варианты, выступая, в первую очередь, как средство отображения тематических карт и как инструмент пространственного анализа. 11. 02. 2018 36

Дадим следующее определение ГИС: ГИС - это автоматизированная информационная система, предназначенная для картографирования и анализа существующих объектов (естественных и искусственных), и событий (явлений), которые происходят на Земле. 11. 02. 2018 37

Отсюда приставка "гео" ( в переводе с греческого - "земля") в названии системы. Итак, основное отличие ГИС от других информационных систем состоит в том , что ГИС имеет дело с пространственно-временными, географически координированными данными. Географически координированные данные - это данные, привязанные к картографической основе, к карте местности, то есть данные, имеющие либо географические координаты (широту и долготу), либо прямоугольные координаты (X, Y, Z), либо почтовые адреса (почтовые индексы, коды), идентифицирующие местоположение на карте. 11. 02. 2018 38

Таким образом, связующим звеном информации в ГИС является география, вот почему широко распространено другое название геоинформационных систем - географические информационные системы. 11. 02. 2018 39

Авторские определения ГИС – это “внутренне позиционированная автоматизированная пространственная информационная система, создаваемая для управления данными, их картографического отображения и анализа”. (Berry J. ) 11. 02. 2018 40

ГИС – это “аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества". (Кошкарев А. В. ) 11. 02. 2018 41

ГИС – это “система, состоящая из людей, а также технических и организационных средств, которые осуществляют сбор, передачу, ввод и обработку данных с целью выработки информации, удобной для дальнейшего использования в географическом исследовании и для ее практического применения”. (Konecny M. ) 11. 02. 2018 42

ГИС – это “комплекс аппаратно-программных средств и деятельности человека по хранению, манипулированию и отображению географических (пространственно соотнесенных) данных”. (Abler R. ) 11. 02. 2018 43

ГИС – это “динамически организованное множество данных (динамическая база данных или банк данных), соединенное с множеством моделей, реализованных на ЭВМ для расчетных, графических и картографических преобразований этих данных в пространственную информацию в целях удовлетворения специфических потребностей определенных пользователей в пределах структуры точно определенных концепций и технологий”. (Degani A. ) 11. 02. 2018 44

ГИС – это "система, включающая базу данных, аппаратуру, специализированное математическое обеспечение и пакеты программ, предназначенных для расширения базы данных, для манипулирования данными, их визуализации в виде карт или таблиц и, в конечном итоге, для принятия решений о том или ином варианте хозяйственной деятельности". (Lillesand T. ) 11. 02. 2018 45

ГИС – это "реализованное с помощью автоматических средств (ЭВМ) хранилище системы знаний о территориальном аспекте взаимодействия природы и общества, а также программного обеспечения, моделирующего функции поиска, ввода, моделирования и др. " (Трофимов А. М. , Панасюк М. В. ) 11. 02. 2018 46

ГИС – это интегрированная компьютерная система, находящаяся под управлением специалистованалитиков, которая осуществляет сбор, хранение, манипулирование, анализ, моделирование и отображение пространственно соотнесенных данных (D. P. Lusch). 11. 02. 2018 47

11. 02. 2018 48

Схема геоинформационной системы 11. 02. 2018 49

Геоинформатика – наука, технология и производственная деятельность: • по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем; • по разработке геоинформационных технологий; • по прикладным аспектам или приложениям ГИС для практических или геонаучных целей. 11. 02. 2018 50

Эволюция геоинформационных систем В истории развития геоинформационных систем выделяют четыре периода: v Новаторский период (поздние 1950 е - ранние 1970 е гг. ) - исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, - наработка эмпирического опыта, - первые крупные проекты и теоретические работы 11. 02. 2018 51

v Период государственного влияния (ранние 1970 е - ранние 1980 е гг. ) - развитие крупных геоинформационных проектов, финансируемых государством, - формирование государственных институтов в области геоинформатики, - снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп 11. 02. 2018 52

v Период коммерциализации (ранние 1980 е - настоящее время) -широкий рынок разнообразных программных средств, - развитие настольных инструментальных ГИС, - расширение области их применения за счет интеграции с базами атрибутивных данных, - создание сетевых приложений, - появление значительного числа непрофессиональных пользователей, - организация систем, поддерживающих индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах и поддерживающих корпоративные и распределенные базы геоданных. 11. 02. 2018 53

Пользовательский период (поздние 1980 е - настоящее время) v - повышенная конкурентная борьба среди коммерческих производителей геоинформационных технологий и услуг дает преимущества пользователям ГИС, - доступность и “открытость” программных средств позволяет пользователям самим настраивать, адаптировать, использовать и даже модифицировать программы, - появление пользовательских “клубов”, телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, - возросшая потребность в географических данных, начало формирования геоинформационной инфраструктуры планетарного масштаба. 11. 02. 2018 54

Рынок геоинформатики Организации, имеющие лицензии на геодезическую и картографическую деятельность Организации (всего – более 10 000) 12 9 15 64 ИП Частные предприятия ФГУ/ГУП МУ

Работники отрасли Персонал отрасли, тыс. чел. (всего - 80 тыс. чел) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 40 22 ФГУП и ФГУ Росреестра 18 ФГУП, ГУП и МУП Частные организации

Работы в отрасли в 2008 г. (более 80 млрд. руб. ) • землеустройство, кадастр – 12 млрд. руб. • техническая инвентаризация – 8 млрд. руб. • изыскания и обеспечение строительства – 15 млрд. руб. • недро-, природопользование, сельское хозяйство – 5 млрд. руб. • картография – 8 млрд. руб. • транспорт, навигация, связь – 12 млрд. руб. • другое (оборона, ЧС, образование, статистика) – 20 млрд. руб.

Причины ограничения использования данных ГИС • преимущественно бумажный (аналоговый) вид • сложная и непрозрачная процедура предоставления топографических планов и карт из ФКГФ потребителям • наличие в картах и планах информации, составляющей государственную тайну • наличие множества систем координат и применяемых стандартов • отсутствие единых справочников и классификаторов описания пространственных объектов • отсутствие регламентов межведомственного взаимодействия, его нормативного регулирования и мотивации широкого распространения и использования данных

Структура ГИС Начнем с подсистемы сбора данных. По оценкам специалистов в области геоинформационных технологий затраты на сбор и ввод данных при реализации ГИС-проектов в 5 -10 раз превышают затраты на аппаратно-программное обеспечение ГИС. Это объясняется тем, что существующие в настоящее время технологии автоматизированного ввода графических и текстовых данных обеспечивают ввод порядка 20% общего объема данных. Поэтому особое значение приобретает дальнейшее развитие автоматизированных методов сбора и ввода всех типов данных в рамках ГИС. 11. 02. 2018 59

Основная функциональная задача этой подсистемы - создание целостного информационного цифрового образа исследуемого объекта или явления в пространственных границах. 11. 02. 2018 60

Большие потенциальные возможности для сбора данных в ГИС открывают технологии, созданные на основе космических систем глобальной навигации - GPS (Global Positioning System), ГЛОНАСС (РОССИЯ) и NAVSTAR (USA). Эти технологии предназначены для сбора высокоточной цифровой информации о местности, фактических топографических данных: географических координат и отметки высоты рельефа в данной точке местности, при этом точность измерений достигает нескольких сантиметров. 11. 02. 2018 61

Для обеспечения возможности импорта цифровых данных от различных источников подсистема сбора и ввода данных ГИС должна иметь программные средства разработки интерфейсов для ввода данных различных форматов. Вообще создание норм по стандартизации и унификации форматов данных, цифровых моделей местности, картографических документов, интерфейсов имеет решающее значение для успешной реализации подсистемы сбора данных ГИС. 11. 02. 2018 62

Пути модернизации отрасли Автоматизация картографии Внедрение цифровых методов сбора и обработки Новые принципы управления на основе национальной инфраструктуры пространственных данных

Источники данных Охарактеризуем основные блоки картографических источников, основываясь на имеющейся системе классификации карт. 11. 02. 2018 64

Общегеографические карты. Топографические (масштаб 1: 200 000 и крупнее), обзорно-топографические (от 1: 200 000 до 1: 1 000 включительно) и обзорные (мельче 1: 1 000) карты содержат разнообразные сведения о рельефе, гидрографии, почвенно-растительном покрове, населенных пунктах, хозяйственных объектах, путях сообщения, линиях коммуникаций, границах. В геоинформатике эти карты служат для двух целей – получения информации о перечисленных объектах местности и пространственной привязки тематических сведений. 11. 02. 2018 65

Среди тематических карт выделяют карты природы, населения, экономики и др. Карты природы. Это группа карт, включающая карты геологического строения и ресурсов недр, геофизические, рельефа земной поверхности и дна океанов, метеорологические и климатические, гидрологические и океанографические, почвенные, геоботанические, зоогеографические, медикогеографические, ландшафтные и общие физико-географические, охраны природы. 11. 02. 2018 66

Карты народонаселения: размещение населения по территории и расселение; этнографическая и антропологическая характеристика народонаселения; демографическая характеристика; социальноэкономическая характеристика. Карты экономики: карты промышленности с подразделением на добывающую и обрабатывающую или более детально по каждой отрасли промышленности; карты сельского хозяйства, земельных фондов, трудовых ресурсов, карты земледелия и животноводства, карты лесного хозяйства, карты транспорта, карты капитального строительства, экономики и финансов. 11. 02. 2018 67

Карты науки, подготовки кадров, обслуживания населения связаны как с картами народонаселения, так и экономики. Отдельно выделяются политические, административные и исторические карты. Созданием цифровых карт практически всех перечисленных выше типов занимаются соответствующие профильные организации и ведомства. Так, например, геологические карты в цифровом виде создают региональные информационно-компьютерные центры Министерства природных ресурсов РФ. 11. 02. 2018 68

Банк цифровой картографической информации Министерства природных ресурсов РФ 11. 02. 2018 69