Щёлкнуть для открытия космического снимка Занятие

Щёлкнуть для открытия космического снимка.

Занятие № 1. «Введение в геоинформатику»

Цель занятия: студент должен получить представление о предмете геоинформатики и основных этапах ее развития.

ПЛАН ЛЕКЦИИ Ведение 1. Понятие географической информационной системы (ГИС). Структурные блоки ГИС. 2. Геоинформатика как наука, технология, индустрия. Связь геоинформатики с другими науками. 3. Классификация ГИС. Периодизация развития геоинформатики. 4. Заключение.

Список литературы 1. Капралов Е. Г. Основы геоинформатики. В двух книгах / Е. Г. Капралов, А. В. Кошкарев, В. А. Тикунов / Под ред. В. С. Тикунова. – М. : Академия, 2004. Книга 1, гл. 1 -3.

ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ Место геоинформатики в системе наук. Взаимосвязь с картографированием, дистанционным зондированием, информатикой. Понятия информационная система и геоинформационная система. Структура ГИС, основные структурные блоки. Классификация ГИС. Основные этапы развития ГИС, особенности ее развития в России.

ВВЕДЕНИЕ Объем учебного материала: 20 ч. лекций и 40 ч. лабораторного практикума. Форма итогового контроля - зачёт.

Данные о реальных объектах и событиях, накопленные человечеством, часто содержат «пространственную» составляющую. Такой составляющей обладают данные географии, истории, экономики, военного искусства и других областей знания.

Пространственный аспект имеет информация о природных объектах (морях, реках, горах, пустынях и т. д. ), земельных участках, зданиях, сооружениях, коммуникациях; даже человек имеет «привязку» к почтовому адресу дома.

В зависимости от масштаба, карты несут различный объём информации и имеют различную степень детализации. В качестве примера приведены мелкомасштабная карта Уральского федерального округа, крупномасштабная карта района хребта Иремель и план района, в котором расположен ППИ.

Рис. 1. Карта Ур. ФО. М 1: 10 000 (в 1 см 100 км)

Рис. 2. Карта района хребта Иремель. М 1: 100 000 (в 1 см 1 км)

Рис. 3. Карта района с. Черновское. М 1: 10 000 (в 1 см 100 м)

Рис. 4. План района расположения ППИ

1. Понятие географической информационной системы (ГИС). А. Электронные карты Итак, топографическая карта является важнейшим источником пространственной составляющей данных о реальных объектах.

Начиная с 60 -ых годов ХХ века, наряду с традиционными топографическими картами на печатной основе начали появляться так называемые электронные карты. Их появление вызвано широким внедрением персональных компьютеров, развитием их программного обеспечения и совершенствованием методов космической фотосъёмки.

Электронные карты имеют ряд преимуществ по сравнению с бумажными. Они могут давать информацию в реальном времени, являются многослойными и интерактивными, т. е. на экране монитора можно изменять масштаб, рассматривать и печатать фрагменты карты, выводить на экран атрибутивную информацию об объектах (например, высоту и площадь здания, год постройки, др. ), рисовать и уничтожать объекты.

Так как по каждому объекту, отображённому на цифровой карте, в памяти компьютера хранится атрибутивная (описательная) информация, то её можно обработать, например, статистическими методами и отразить результаты такого анализа, непосредственно "наложив" их на карту.

Карта может раскраситься в различные цвета в зависимости от значения параметра, относящегося к определённому участку отображаемой территории. Так получаются карты, которые мы знаем в бумажном виде как тематические.

Результаты статистической обработки информации, будучи наложенными, например, на карту города, позволяют выявить некоторые весьма полезные закономерности.

В среде ГИС удобно отображать генпланы заводов, поэтажные планы цехов, помещений, технологические схемы движения изделий между технологическими подсистемами, моделирование технологических процессов, развёрнутых в пространстве и т. п. Таким образом, электронные карты фактически обладают свойствами сложных информационных систем.

Термин «географическая информационная система» (ГИС) появился в англоязычной литературе (geographic information system).

ГИС - информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях. Существуют и другие определения ГИС, но они не противоречат приведённому.

Термин геоинформационная система имеет и другое содержание: ГИС - программный продукт, в котором реализованы функциональные возможности ГИС. Примером такого продукта является программа Дубль. ГИС.

B. Структурные блоки ГИС Работающая ГИС включает пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы. Аппаратным средством является компьютер, на котором запущена ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью ПК.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической информации. Основные компоненты: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; СУБД; инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации; графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам и функциям.

Данные - наиболее важный компонент ГИС. 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 их с данными других типов, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

2. Геоинформатика как наука, технология, индустрия. Связь геоинформатики с другими науками

Геоинформационные системы являются объектом изучения геоинформатики. Геоинформатика широко использует разработанные в рамках информатики методы и способы накопления, обработки и передачи данных, информации и знаний с помощью вычислительной техники.

Геоинформатика изучает научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС. Основной задачей геоинформатики является создание компьютерных геоинформационных систем (ГИС), которые имитируют процессы, происходящие в изучаемой геосистеме.

Целью создания ГИС может быть инвентаризация природных и материальных ресурсов, их кадастровая оценка, прогнозирование их изменения, оптимизация использования, мониторинг окружающей среды либо хозяйственной деятельности, пространственный анализ распределения и т. п.

Наиболее сложной и ответственной задачей при создании ГИС является управление ресурсами и принятие решений.

Для создания ГИС, прежде всего, необходима информация, которая группируется и систематизируется в базах данных и базах знаний. Информация может быть самой разнообразной - картографической, точечной, статистической, описательной и т. п.

В зависимости от поставленной цели, обработка информации может производиться либо с помощью существующих программных продуктов, либо с использованием оригинальных, специализированных методик.

В геоинформатике уделяется большое внимание теории геосистемного моделирования и разрботке методов пространственного анализа. Все этапы - от сбора информации до моделирования и принятия решений в совокупности с программнотехнологическими средствами имеют общее название – геоинформационные технологии (ГИС-технологии).

Таким образом, геоинформационные технологии – современный системный метод изучения окружающего географического пространства, который в целом используется для повышения эффективности функционирования природно-антропогенных геосистем и для обеспечения их устойчивого развития.

Геоинформатика не только разрабатывает технологию создания ГИС, но и занимается производством таких систем. Таким образом, геоинформатика является наукой, технологией и индустрией.

Теория молодой науки пока является фрагментарной. Базовыми понятиям геоинформатики являются: пространственный объект, пространственные данные, модель пространственных данных, функции обработки пространственных данных (пространственный анализ, геомоделирование и др. ). Геоинформатика как технология достигла высокого уровня развития.

Связь геоинформатики с другими науками Геоинформатика (наука и технология) возникла и развивалась в тесной связи с картографией и дистанционным (аэрокосмическим) зондированием Земли (ДЗЗ). Связь между этими науками и технологиями можно выразить следующей схемой.

Дистанционное Зондирование Земли Картография Геоинформатика Межпредметные связи геоинформатики u Щелкнуть для просмотра анимации № 1.

Кроме рассмотренных существуют связи геоинформатики с географией, топографией, геодезией, вычислительной геометрией, компьютерной графикой, системами автоматического проектирования, различными информационными технологиями и рядом других наук и технологий.

3. Классификация ГИС. Периодизация развития геоинформатики Классификация ГИС возможна по нескольким основаниям. По пространственному охвату различают: глобальные, континентальные, межнациональные, межрегиональные, локальные ГИС.

По предметной области моделирования можно выделить: оборонные, природоохранные, земельные, экологические, кадастровые, инженерные, муниципальные и др. ГИС. По уровню управления можно выделить ГИС: федерального, регионального и специального назначения (используемые в конкретных отраслях народного хозяйства).

Периодизация развития геоинформатики В 60 -х гг. прошлого века крупномасштабное хозяйственное освоение территорий в разных странах привело к необходимости проведения картографических работ для целей территориального планирования. Результаты таких исследований реализовывались в виде крупных картографических произведений - атласов.

Так, к концу 1975 г. 40 стран мира имели свои национальные атласы или отдельные их выпуски. По структуре, содержанию, способам картографического изображения многие из них были идентичны. Обычно карты группировались в несколько разделов:

- природные условия - карты, отражающие рельеф, климат, почвы, растительность, ландшафты, гидрогеологию, месторождения полезных ископаемых; - структура производства - карты, отражающие особенности промышленности, строительства, транспорта, торговли, производственной структуры сельского хозяйства, плодородия почв и продуктивности животноводства;

- население и структура расселения - карты, отражающие занятость населения в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, его подвижность, социально-экономическую структуру и другие демографические особенности; - техническая инфраструктура - карты, характеризующие загруженность дорог, состояние водоснабжения и коммуникаций;

- формирование окружающей среды - карты состояния рек, охранные и рекреационные зоны, пригородные зоны отдыха и т. п. ; - административное деление – карты, отражающие административное деление, важнейшие города и селения, динамику их роста.

При создании атласов ставилась цель обеспечить легко сравниваемую информацию естественных и социально-экономических условий регионов с демонстрацией всех факторов развития, которые необходимо учитывать при планировании.

Многие атласы снабжались контурными картами, которые планирующие органы могли использовать для нанесения вновь построенных объектов или для разработки проектов развития территории планирования.

Использовались также накладные дополнительные карты, выполненные на прозрачной основе, что позволяло сопоставлять различные тематические карты. В этом уже просматривались элементы современных геоинформационных технологий.

Вскоре стали заметны недостатки атласов как источника информации: невозможность оперативного обновления картографического материала в соответствии с быстро изменяющимися реальными ситуациями; нерациональное использование накапливающегося статистического материала, сложностью его обобщения и математической обработки.

Развитие работ по земельному кадастру обусловило накопление огромного количества информации, что требовало новых технологий для их хранения, обработки и организации управления.

Цель земельного кадастра заключается в формировании, накоплении и обновлении сведений о земле, для поддержания и регулирования установленных в государстве земельных отношений. На решение кадастровых проблем и были направлены первые разработки ГИС.

Второй важной причиной появления ГИС явилось развитие экологических исследований. Начиная с 70 -х гг. прошлого века в обществе укреплялась осознанность начала глобального экологического кризиса.

Крупномасштабные разработки полезных ископаемых, рост промышленного и сельскохозяйственного производства, появление десятков тысяч новых химических соединений наряду с ростом населения в мире привели к весьма печальным последствиям - загрязнению окружающей среды, деградации и опустыниванию земель вплоть до экологических кризисов и катастроф.

Поэтому после Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (1972 г. ) началось бурное развитие экологии и экологических исследований.

Совместными усилиями мирового сообщества в рамках программы ООН по окружающей среде ЮНЕП (UNEP — United Nations Environmental Program) была создана Глобальная система мониторинга окружающей среды – ГСМОС (The Global Environmental Monitoring System - GEMS).

В задачу этой организации входило обеспечение мониторинга загрязнения окружающей природной среды и факторов, вызывающих его.

ГСМОС проводит и геологический мониторинг, слежение за параметрами землепользования, почвенного и растительного покрова. В рамках международной программы «Человек и биосфера» на базе биосферных заповедников осуществляется фоновый мониторинг территорий, где не предусмотрена или запрещена хозяйственная деятельность.

Результаты мониторинга показывали сложность и неоднозначность воздействия антропогенной деятельности на окружающую среду. Многочисленные связи различных уровней между биотическими и эдафическими (почвенными) факторами среды требовали экосистемного подхода для интерпретации процессов, которые происходят в природе и обществе.

Поэтому стали появляться модели управления качеством окружающей среды, которые были построены на основах системной динамики. Системная динамика - метод анализа динамического поведения сложных систем.

Системно – динамические имитационные модели используются для того, чтобы упорядочить знания и понимание поведения исследуемой системы, процессов которые в ней происходят. Это позволяет находить такие стратегические решения, которые способны изменить и направить поведение системы в желаемом направлении.

На основе таких принципов были разработаны многие известные модели систем в области изучения окружающей среды. Реализация таких проектов требовала применения сложной вычислительной техники. Бурное развитие за последние 15 - 20 лет компьютерной техники помогло поднять многие научно-практические разработки на новый уровень.

Наряду с технико-конструкторскими решениями появилось большое количество разнообразных программных продуктов. Так, появились компьютерные средства обработки пространственных изображений, составления карт, хранения и использования информации, моделирования и т. п. Упростилась обработка данных дистанционного зондирования.

Все указанные средства и методы аккумулировались в новом научном направлении - геоинформатике. Вы уже знаете, что в ее задачи входят научные, технологические разработки и производственная деятельность. После зарождения геоинформатики прошло полвека. В процессе её развития можно выделить несколько периодов.

60 -е годы ХХ века. Появились первые ГИС (Канадская и Шведская). Для целей рационализации землепользования в Канаде были изданы карты масштаба 1: 50 000, создана база данных на основе тематических слоёв, налажен дистанционный доступ к ней. В Швеции был создан национальный земельный банк данных.

В это время в Гарвардской лаборатории машинной графики было разработано программное обеспечение для автоматического картографирования, проводились работы по оцифровке топографических карт для оборонных целей.

70 -е годы ХХ века. Существуют действующие ГИС, идёт развитие методики их создания, но к этому времени выяснилось очень высокая стоимость таких систем. Это привело к пессимизму в вопросе о перспективности дальнейшего развития данного направления информатики. Наступил этап застоя.

Тем не менее, исследования продолжались и в этот период были разработаны некоторые важные методики, например наложение разноимённых слоёв; сформировалось понятие пространственного объекта, характеризующегося позиционными и непозиционными атрибутами.

В СССР в этот период сформировалось новое научное направление – математико-картографическое моделирование. В этот период происходит интеграция ГИС и картографических систем: большинство ГИС этого периода направлены на создание топографических карт или используют карты как источник данных.

В данный период происходит быстрое развитие ГИС в США в интересах Пентагона, Геологической службы США и создания системы организации транспортного движения.

Под эгидой Международного географического союза проведена инвентаризация программных средств ГИС и, по её результатам, в 1981 году был выпущен трёхтомник «Программное обеспечение обработки пространственных данных» под ред. Д. Марбла. В нём даны описания 85 полномасштабных ГИС и нескольких сотен описаний различных программ обработки географических данных.

80 -е годы ХХ века. Время появления и широкого распространения дешёвых ПК, создания локальных и глобальных сетей. Бурное развитие информационных технологий не могло не отразиться на развитии ГИС. Отдельные программные пакеты увязываются в единую систему, способную помочь человеку на основе введённых позиционных данных принять правильное ответственное решение.

Создаются ГИС на платформе ПК, что приводит к возникновению ГИСиндустрии. Многие европейские страны догоняют США и Канаду по уровню развития ГИС-технологии. К концу данного периода в мире существует несколько тысяч ГИС. В качестве источника данных начинают использовать материалы ИСЗ, что позволяет иметь геоинформацию в реальном времени.

90 -е годы ХХ века. Появились интеллектуальные системы и технологии мультимедиа. Большинство карт преобразовано в цифровые модели. По заказу Министерства обороны США создана цифровая карта мира в масштабе 1: 1 000.

Произошла интеграция ГИС и Интернет. ГИС начали широко применяться в различных научных, практических и управленческих областях. На базе ГИС разрабатываются сложные системы поддержки решений.

Начало ХХI века. Продолжается совершенствованием ГИС и их внедрение в различных областях. ГИС используются в крылатых ракетах и других видах высокоточного оружия. В армии США есть соединение, в котором каждый солдат имеет ноутбук, на экране которого он может наблюдать изображение местности или её электронную карту в реальном масштабе времени.

ГИС применяются при анализе данных ДЗЗ в геологии, археологии, метеорологии. Разработанные на базе ГИС навигационные системы и приборы (GPS – навигаторы, Global Positioning System) широко используются в Вооруженных Силах, авиации, на морском и автомобильном транспорте и даже в туристических походах.

В России разработана и начинает внедряться собственная система позиционирования ГЛОНАС (глобальная навигационная система). Руководство ВАЗа объявило, что в ближайшем будущем все автомобили этого завода будут оборудованы навигаторами.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е На занятии вы - рассмотрели понятие географической информационной системы (ГИС); - выяснили, что геоинформатика является не только наукой, но также технологией и индустрией; - выяснили как геоинформатика связана с другими науками; - узнали историю её развития.