Геоинформационные системы

Лекция 1. Введение Геоинформационные системы – одна из форм отражения реального мира с использованием компьютерных технологий. В соответствии с ГОСТ Р 52438-2005 термин геоинформационная система (ГИС) раскрывается как информационная система, оперирующая пространственными данными. Под информационной системой понимается система, предназначенная для хранения, обработки, поиска, распространения, передачи и представления информации. К данным относится информация, представленная в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами при возможном участии человека. А пространственными данными называются цифровые данные о пространственных объектах, включающие сведения об их местоположении и свойствах, пространственных и непространственных атрибутах. Пространственные данные состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционных данных и непозиционных данных, или описания пространственного положения и тематического содержания. Пространственным объектом называется цифровая модель материального или абстрактного объекта реального или виртуального мира с указанием его идентификатора, координатных и атрибутивных данных (свойства, качественные и количественные признаки). Базовым пространственным объектом называют пространственный объект, пространственные данные о котором являются основой для удостоверения местоположения других пространственных объектов, которое проводится на основании набора данных, включающего в себя координатное описание, идентификатор, наименование (при наличии – адрес) объекта и описание его топологических отношений с другими пространственными объектами. Согласно ГОСТ Р 53339-2009 относятся к числу базовых следующие наборы пространственных объектов: • геодезические пункты; • единицы территориального деления; • объекты кадастрового деления территории; • земельные участки; • лесные кварталы; • поверхностные водные объекты; • объекты транспортной сети; • особо охраняемые природные объекты; • территории, создание и предоставление пространственных данных которых регламентировано в законодательстве РФ требованиями к государственной тайне; • строения (здания). В состав базовых могут быть дополнительно включены иные объекты, в отношении которых установлена целесообразность их ведения в статусе базовых. Требования к конкретному составу базовых пространственных объектов в наборах должны соответствовать требованиям законодательства РФ. Важно подчеркнуть, что географические информационные системы отличаются от иных информационных систем именно возможностью использовать пространственные данные. Слово «географические» имеет смысл характеристики пространственности, а не обозначения принадлежности к предметной области профессиональной географии. В ГОСТ Р ИСО 19105-2003 термин «географическая информация» определяется как информация об объектах и явлениях, содержащая в явном или неявном виде указание на их местоположение относительно Земли. Для наглядного представления информационных систем на рис.1 приведем ее условную классификацию по виду используемой информации. Геоинформационные технологии определяются как совокупность приемов, способов и методов применения средств вычислительной техники, позволяющая реализовать функциональные возможности ГИС. Основным направлением ГИС необходимо считать формирование знаний о Земле и доведении необходимых пространственных данных до пользователей с целью достижения наибольшей эффективности их работы. 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, в том числе и для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций. Геоинформационные технологии проникли практически во все сферы жизни. ГИС используются в таких направлениях, как, экология и природопользование, инженерная геодезия и землеустройство, навигация, управление городским хозяйством, региональное планирование, маркетинг, демография и исследование трудовых ресурсов, социология и политология и т.д. История развития ГИС началась с конца пятидесятых годов прошлого столетия. За пятьдесят лет пройдено несколько этапов и создана целая сфера геоинформационных технологий. При рассмотрении истории развития геоинформационных систем выделяются следующие периоды: Новаторский период (1950-1970 г. г.) Исследование принципиальных возможностей информационных систем, пограничных областей знаний и технологий, наработка опыта, первые крупные проекты и теоретические работы. Основная цель таких работ заключалась в упорядочении существующих знаний и облегчении доступа к ним на основе автоматизированного картографирования. В конце 1960 г. г. Бюро переписи США разработало формат GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding). В этом формате впервые была реализована схема определения пространственных отношений между объектами, называемая топологией, которая описывает, как линейные объекты на карте взаимосвязаны между собой, какие площадные объекты граничат друг с другом, а какие объекты состоят из соседствующих элементов. Впервые были пронумерованы узловые точки, впервые были присвоены идентификаторы площадям по разные стороны линий. Это было революционное нововведение. В конце этого периода были основаны такие компании как ESRI и Intergraph, которые и по сей день являются крупнейшими разработчиками ГИС. Период государственного влияния (1970-1980 г. г.) Выполнение крупных геоинформационных проектов, финансируемых государством, формирование государственных институтов в области геоинформатики. Период коммерциализации и потребления (1980 г. г. – настоящее время). Появление рынка разнообразных программных средств, развитие локальных настольных информационно-справочных ГИС, расширение области их применения за счет интеграции с базами атрибутивных данных, создание сетевых приложений, доступ к различным геопорталам. В этот период, и особенно это заметно в настоящее время, резко обострилась конкурентная борьба среди коммерческих производителей геоинформационных технологий. Обозначился новый период в развитии геоинформационных систем, который характеризуется интеллектуализацией, использованием большого количества имитационных моделей, сценариев развития и интеграцией существующих технологий обработки пространственных данных. Лекция 2. Состав геоинформационных систем При рассмотрении ГИС необходимо учитывать их разнообразие и рассматривать их классификацию с разных сторон. На рис. 2 показана классификация ГИС, исходя из функциональных возможностей. Полнофункциональные ГИС – общего назначения, специализированные ГИС – ориентированы на решение конкретной задачи в какой-либо предметной области, а информационно-справочные ГИС – для домашнего и информационно-справочного использования. Классификация ГИС в зависимости от ее архитектуры построения представлена на рис 3. Закрытые системы не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент приобретения ГИС. Открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть модифицированы самим пользователем благодаря созданию приложений с помощью различных языков программирования. По пространственному охвату классификация ГИС представлена на рис. 4. Глобальные ГИС известны и как планетарные ГИС. Национальные ГИС, как правило, имеют статус государственных, а локальные называют местными ГИС. В Российской Федерации принято различать федеральные ГИС (ФГИС), региональные (РГИС), муниципальные (МГИС) и локальные (ЛГИС). Пространственные данные, используемые в этих ГИС, охватывают территории для: • · федеральных ГИС – РФ, включая прибрежные акватории и приграничные районы; • · региональных ГИС – крупные природные и экономические регионы, субъекты РФ, федеральные округа, включая районы, природоохранные зоны, районы кризисных ситуаций, бассейны добычи полезных ископаемых и другие локальные территории (акватории); • · муниципальных ГИС – города, городские районы, пригородные зоны. Проблемно-тематическая классификация ГИС представлена на рис. 5. Любая ГИС включает в себя следующие компоненты, показанные на рис. 6. Аппаратная платформа в свою очередь состоит из компьютеров (рабочие станции, ноутбуки, карманные ПК), средств хранения данных (винчестеры, компакт-диски, флэш- память), устройств ввода информации (дигитайзеры, цифровые планшеты, сканеры, цифровые камеры, клавиатуры, компьютерные мыши), устройства вывода информации (принтеры, плоттеры, проекторы, дисплеи). Если говорить о программном обеспечении ГИС, то следует отметить, что большинство программных пакетов обладают схожим набором характеристик, но различаются в цене и функциональности. Выбор программного обеспечения зависит от конкретных прикладных задач, решаемых пользователем. В состав общего программного обеспечения ГИС входят операционная система, система управления базами данных, универсальные средства разработки и отладки программ, текстовые и графические редакторы. В состав специального программного обеспечения входят библиотеки программных средств, реализующих основные операции геоинформационных технологий и прикладные программы, предназначенные для решения задач конкретной ГИС. Соответственно, ГИС включает четыре обязательные подсистемы, показанные на рис. 7. Подсистема сбора, подготовки и ввода данных собирает и проводит предварительную обработку различных источников данных. Эта подсистема отвечает за преобразования различных типов пространственных данных, позволяет конвертировать существующую географическую информацию в тот формат, который используется в данной ГИС. Подсистема хранения, обновления и управления данными организует пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования, она позволяет делать запросы, возвращающие только нужную, контекстно-связанную информацию, переносит акцент с общей интерпретации информации на формулирование адекватных запросов. Эта подсистема хранит либо явно, либо неявно, координаты точечных, линейных и площадных объектов и связанные с ними характеристики (атрибуты). Подсистема обработки, моделирования и анализа данных оценивает различные параметры данных и решает расчетно-аналитические задачи на их основе. Анализ данных чаще всего является преимуществом человека-аналитика. Подсистема позволяет значительно упростить и, следовательно, облегчить анализ пространственно связанных данных, практически исключить ручной труд. Подсистема контроля и вывода должна обеспечивать наглядное представление результатов, прежде всего на мониторе, отображать данные в различных видах (карты, цифровые модели местности, таблицы, диаграммы). Подсистема позволяет компоновать результирующие данные в любой удобной для пользователя форме. На каждом этапе должен выполняться контроль данных. Лекция 3. Основные источники пространственных данных ГИС Сердцем любой ГИС являются используемые данные. На рис. 8 представлены источники данных для ГИС - основа информационного обеспечения. Картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.) относят к наиболее важным источникам информации ГИС, так как они были созданы для большей части земной поверхности и содержат данные о самых разнообразных объектах и явлениях. Картографические материалы могут соответствовать разным периодам времени, иметь разный масштаб и размер. Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС. Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда графические оригиналы карт преобразуют в цифровой вид. К данным дистанционного зондирования Земли, чаще всего, относят материалы, получаемые с космических носителей. Для дистанционного зондирования применяют разнообразные технологии получения изображений и носители съемочной аппаратуры. Получаемые снимки отличаются разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр решаемых задач с применением ДДЗ. К методам дистанционного зондирования относят аэрокосмические и наземные съемки. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды. Материалы полевых изысканий территорий включают данные топографических, инженерно-геодезических изысканий, кадастровой съемки, геодезические измерения природных объектов, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, системами спутникового позиционирования и другими геодезическими приборами. Статистические данные содержат данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т. д). Литературные данные включают в себя различные справочные издания, книги и статьи, содержащие сведения по отдельным типам географических объектов. К основным источникам пространственных данных ГИС, в соответствии с ГОСТ Р 52438-2005 относят цифровые топографические и тематические карты, данные дистанционного зондирования Земли, данные систем спутникового позиционирования GPS и ГЛОНАСС. Для крупномасштабных приложений используются геодезические данные, получаемые электронной аппаратурой и приборами для геодезических измерений, данные воздушного и наземного лазерного сканирования. Дополнительно используются данные различных кадастров, данные органов государственной статистики и другие информационные ресурсы. В ГИС редко используется только один источник данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию. Лекция 4. Представление пространственных объектов в ГИС Для дальнейшего рассмотрения данных, используемых в ГИС, необходимо более подробно рассмотреть характеристики пространственного объекта. Основные характеристики представлены на рис. 9. Пространственные характеристики определяют положение объекта в заранее установленной системе координат. Основное требование к таким данным - точность (степень близости результатов определения местоположения объектов их истинному положению на местности). Временные характеристики фиксируют время исследования объекта и важны для оценки изменений свойств объекта с течением времени. Основное требование к таким данным – актуальность или достоверность (степень соответствия на определяемый момент времени). Неактуальные данные являются устаревшими. Тематические характеристики описывают разные свойства объекта, включая экономические, статистические, технические и другие свойства, основное требование - полнота (степень достаточности информативности, которая должна обеспечить пользователю этой информации возможность решения поставленной задачи). Рис. 10 иллюстрирует представление пространственных объектов в ГИС. Точечные объекты – это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства, представленной одной парой координат X и Y (координата высоты H может быть или нет). В зависимости от масштаба картографирования, в качестве таких объектов могут рассматриваться дерево, дом или город. Линейные объекты, представлены как одномерные, имеющие одну размерность – длину. В данном случае ширина объекта не выражается масштабом. К таким объектам относятся реки, границы муниципальных округов, горизонтали рельефа и т.д. К областям (полигонам) относятся площадные объекты, которые представлены несколькими парами координат (X, Y) или линейным объектам в виде замкнутого контура. Такими объектами могут быть территории, занимаемые определенным ландшафтом, городом, целым континентом или отдельным строением. При описании поверхностей выполняется добавление к площадным объектам значений высоты. Восстановление поверхностей осуществляется с помощью использования математических алгоритмов (интерполяции и аппроксимации) по исходному набору координат X, Y, Н. Дополнительные непространственные данные об объектах образуют набор атрибутов. Атрибутивные данные – это качественные или количественные характеристики пространственных объектов, выражающиеся, как правило, в алфавитно-цифровом виде (географическое название, видовой состав растительности, характеристики почв и т.п.). Природа пространственных и атрибутивных данных различна, соответственно различны и методы хранения, ввода, редактирования, поиска и анализа. Одна из основных идей, воплощенных в ГИС – это сохранение связи между пространственными и атрибутивными данными, при раздельном их хранении и, частично, раздельной обработке. Общее цифровое описание пространственного объекта включает наименование, указание местоположения, набор свойств и отношения с другими объектами. В наименование объекта входят его географическое название (если оно есть) и его условный код или идентификатор, присваиваемый пользователем или системой. Однотипные объекты по пространственному и тематическому признакам объединяются в слои цифровой карты ГИС, которые рассматриваются как отдельные информационные единицы, при этом существует возможность совмещения всей имеющейся информации. Для представления пространственных данных в ГИС применяют растровые и векторные структуры данных. В растровой структуре данные хранятся в виде матрицы, каждая ячейка которой содержит только одно значение, характеризующее объект на местности или изображении. В качестве такого значения может быть код принадлежности объекта (лес, луг и т.д.) плюс высота, если она присутствует или оптическая плотность. Векторная структура – это представление пространственных объектов в виде набора координатных пар (векторов), описывающих геометрию объектов.  Для реализации растровых и векторных структур данных разработаны различные модели данных. Лекция 5. Совместимость пространственных данных Обеспечение совместимости создаваемой в ГИС информации, прежде всего, обусловлено следующими причинами: • - необходимость предотвращения правовых конфликтов, возникающих из-за разночтения местоположения и взаимного расположение объектов; • - для рационального использования ресурсов и сокращения непроизводительных затрат (предотвращения дублирования работ по удостоверению местоположения одних и тех же объектов, созданию информации, относящейся к общей инфраструктуре пространственных данных территории и затрат, связанных с последующим устранением последствий несовместимости данных). На рис. 11 показаны аспекты, по которым необходимо обеспечить совместимость в ГИС на уровне данных. Прежде всего, для обеспечения совместимости пространственных данных в ГИС они должны быть представлены в единых государственных системах координат, установленных в РФ действующим законодательством. В настоящее время установленными являются следующие единые государственные СК: • система геодезических координат 1995 года (СК-95) для использования при осуществлении геодезических и картографических работ; • геоцентрическая система координат "Параметры Земли 1990 года" (ПЗ-90) для использования в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных задач. В случае отсутствия возможности представления в ГИС пространственных данных непосредственно в единых государственных СК, ГОСТ Р 52571-2006 устанавливает следующие варианты их представления: • в иной системе геодезических координат (предыдущих единых государственных СК (СК-42) или местных системах координат) с обязательным приложением описания способа перехода от этой системы координат к единой государственной СК; • в картографической проекции, связанной с едиными государственными СК через формулы проекции либо связанной с СК-42 или местной, или иной системой координат, с обязательным приложением соответствующих формул проекции и обязательным приложением способа перехода от этой системы координат к единым государственным СК; • в иной прямоугольной системе координат с обязательным приложением описания способа перехода от этой системы координат к единым государственным СК. В состав государственных информационных ресурсов могут входить только пространственные данные, соответствующие указанным требованиям. Связь координатных данных пространственного объекта с адресными данными и другими характеристиками данного объекта в ГИС осуществляется через идентификатор объекта. Пространственные отношения объектов в ГИС должны фиксироваться в виде описаний взаимных связей пространственных объектов, основанных на их взаимном расположении в установленной системе координат и ссылок в описании одних пространственных объектов на описания других пространственных объектов. Обязательным условием для формирования в ГИС пространственных данных является наличие классификаторов, обеспечивающих соответствие между кодами типов объектов, их атрибутов и нормативно-правовых документов. Адресные данные пространственного объекта должны представлять собой минимальный набор атрибутов пространственного объекта, позволяющий идентифицировать его как уникальный среди других пространственных объектов. Адресные данные включают наименование пространственного объекта и другие его характеристики, используемые для любых видов обмена данными, и не включают в себя координатное описание пространственного объекта. Для обеспечения совместимости пространственных данных адресные данные объектов должны соответствовать следующим требованиям: • в пределах одной и той же системы адресные данные для пространственных объектов и типа объектов должны быть уникальными; • каждым адресным данным пространственного объекта должны соответствовать его координатные данные; • ссылка от адресных данных на координатные данные должна осуществляться через идентификатор объекта; • в случае отсутствия адресных данных объекта их функция должна выполняться идентификатором объекта. Идентификатор пространственного объекта является уникальной характеристикой пространственного объекта, используемой для фиксации связи координатных и адресных данных объектов, контроля их взаимного соответствия и обеспечения непротиворечивости пространственных данных по их объектовому составу. При формировании идентификаторов пространственных объектов должны учитываться следующие требования: • идентификатор пространственного объекта должен быть уникальным на территории РФ; • идентификатор может включать числовое значение (счетчик), уникальное в пределах каждого субъекта, осуществляющего ведение информационных ресурсов; • в случае, когда в вертикальной структуре управления для государственных информационных ресурсов установлена система идентификации, единая для всей территории РФ, в качестве идентификатора используют идентификатор пространственного объекта этой системы. Формат представления пространственных данных в ГИС для обеспечения совместимости должен соответствовать следующим требованиям: • иметь доступное для публичного использования описание формата данных, в которое включают характеристики пространственных данных; • описание должно быть достаточным для того, чтобы можно было применять существующие конверторы или разработать новые конверторы данных в открытые обменные и внутренние форматы ГИС; • описание формата должно соответствовать поставляемым в этом формате данным; • все изменения поставляемых данных должны быть оперативно отражены в изменении описания; • в случае представления данных в формате, для которого публичное описание отсутствует, к таким данным должны прилагаться конверторы, позволяющие преобразовать данные в открытые обменные и внутренние форматы ГИС. Документальное сопровождение описания форматов представления пространственных данных в ГИС, должно включать данные о системе координат, качественные характеристики данных, позволяющие определить степень точности, достоверности, актуальности данных и использованные классификаторы данных. Минимально допустимым вариантом конвертирования в открытые форматы предусматривается сохранение таких элементов, как координатные данные объектов, адресные данные объектов и их связи между собой через идентификаторы. Лекция 6. Инфраструктура пространственных данных Объемы накапливаемых, обрабатываемых и используемых пространственных данных возрастают, все больше появляется услуг, основанных на пространственно-привязанной информации. Однако наличие больших объемов информации становится преимуществом только тогда, когда существуют механизмы их эффективного использования. Для того, чтобы управлять процессами создания, хранения, обновления и обработки пространственных данных, необходимо формировать метаданные, или точнее, пространственные метаданные. Пространственные метаданные – данные о пространственных данных, в общем случае могут содержать сведения о составе, статусе (актуальности и обновляемости), происхождении, местонахождении, качестве, форматах представления, условиях доступа, приобретения и использования, авторских правах на данные, применяемых системах координат, позиционной точности, масштабах и других характеристиках. Метаданные обеспечивают возможность планирования, быстрого поиска и восстановления данных. Именно с помощью метаданных потенциальный потребитель продукции или услуги может оценить ее пригодность для использования. Кроме описания метаданных, существует задача согласования различных по структуре и синтаксису метаданных. Для решения этой задачи необходимо установить определенные правила, позволяющие сформировать и представить метаданные в виде, понятном и пригодном для обработки, а также однозначно идентифицировать продукцию или услугу с необходимым и достаточным уровнем детализации. Такие правила регламентируются стандартами. Все географические информационные системы, создаваемые на любую конкретную территорию, должны использовать элементы общей инфраструктуры пространственных данных, координатные и адресные данные одних и тех же объектов. Инфраструктурой пространственных данных (ИПД) называют информационно телекоммуникационную систему, обеспечивающую доступ граждан, хозяйствующих субъектов, органов государственной и муниципальной власти к распределенным ресурсам пространственных данных, а также распространение и обмен данными в общедоступной глобальной информационной сети в целях повышения эффективности их производства и использования. ИПД объединяет технологии, научно-техническую политику, организационное обеспечение, человеческие и другие ресурсы, необходимые для производства, обработки, хранения, распространения, интеграции и использования пространственных данных. ИПД включает три необходимых компонента: • базовые пространственные данные; • стандарты на пространственные данные и методы их производства и использования; • базы метаданных и механизм доступа к данным. Существующие в настоящее время системы идентификации пространственных объектов в различных реестрах, кадастрах, регистрах и т.п., ведение которых осуществляют федеральные органы исполнительной власти, не позволяют обеспечить интеграцию и совместное использование пространственных данных, полученных из различных источников. Результатом этого стало отсутствие в РФ единой системы идентификации пространственных объектов, что препятствует использованию пространственных данных как универсального элемента связи различных баз данных и делает невозможным построение единого информационного пространства страны. Проблемами, затрудняющими использование пространственных данных, также являются: • отставание законодательства РФ в области геодезии и картографии, авторского права, информационных технологий от современных требований, предъявляемых органами государственной власти, органами местного самоуправления, физическими и юридическими лицами к содержанию, качеству и уровню доступности пространственных данных; • наличие ограничений на распространение пространственных данных; • потеря актуальности материалов и данных в картографо-геодезических фондах РФ. 21 августа 2006 г распоряжением Правительства РФ за № 1157-р была одобрена «Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации». Согласно этой Концепции, ее реализация предусматривала три этапа. I этап (2006-2007) – подготовительный: • создание межведомственной комиссии по пространственным данным; • разработка и принятие нормативных правовых актов, регулирующих порядок создания, использования базовых пространственных данных и метаданных, ведения баз этих данных, в том числе определение полномочий федерального органа исполнительной власти, ответственного за создание и развитие инфраструктуры пространственных данных РФ; • разработка технических регламентов и стандартов в области создания, оценки качества, хранения, предоставления и использования базовых пространственных данных и метаданных, а также ведения баз этих данных; • создание и распространение базовых пространственных данных федерального уровня; • создание первой очереди системы обеспечения пространственными данными на базе организаций, находящихся в ведении федеральных органов исполнительной власти; • формирование системы надзора и контроля за созданием и использованием базовых пространственных данных, а также ведением баз этих данных; • снятие необоснованных ограничений на распространение пространственных данных; • гармонизация отраслевых нормативно-технических документов в области создания и использования базовых пространственных данных и метаданных; • разработка технологий создания, хранения, актуализации и использования базовых пространственных данных и метаданных; • реализация в отраслях экономики, в субъектах РФ и муниципальных образованиях пилотных проектов по созданию отраслевых, региональных и муниципальных инфраструктур пространственных данных; • разработка плана мероприятий по использованию инфраструктуры пространственных данных РФ в интересах обороны и безопасности государства; • формирование единой системы стандартизации в области пространственных данных; • подготовка и повышение квалификации кадров, участвующих в создании и развитии инфраструктуры пространственных данных РФ. II этап (2008-2009) – организационный: • формирование сети организаций по ведению баз данных в части базовых пространственных данных и метаданных на уровне субъектов РФ и муниципальных образований; • создание и распространение базовых пространственных данных и метаданных на уровне субъектов РФ и муниципальных образований в соответствии с утвержденными техническими регламентами и стандартами; • создание второй очереди системы обеспечения пространственными данными на базе организаций, находящихся в ведении органов исполнительной власти субъектов РФ и органов местного самоуправления; • дальнейшее совершенствование законодательства РФ в области создания и использования пространственных данных; • формирование подсистемы, обеспечивающей пространственными данными органы государственной власти с целью реализации ими функций по обеспечению обороноспособности государства, национальной безопасности и правопорядка; • подготовка и повышение квалификации кадров, участвующих в создании и развитии инфраструктуры пространственных данных РФ. III этап (2010-2015) – завершающий: • завершение формирования инфраструктуры пространственных данных РФ, обеспечивающей эффективное использование пространственных данных, создание банков пространственных данных в качестве государственных информационных ресурсов.     Лекция 7. Основные направления использования геоинформационных проектов в РФ На рис. 12 показаны основные проекты, базирующиеся на новых информационных технологиях (прежде всего геоинформационных). Появление таких проектов имеет свою сложившуюся историю, а их разработка в настоящее время наиболее востребована. Для того чтобы ГИС приносила положительный эффект в управлении городом, необходимы выработки общих форм запросов для всех городских служб, что влечет за собой перестройку отношений внутри городской администрации. При формировании баз данных МГИС используют: • базовую цифровую модель местности; • цифровые тематические и специальные карты; • данные ДЗЗ, в том числе аэрокосмические снимки в цифровом формате; • тематические данные, в том числе данные государственной статистики; • метаданные; • нормативную информацию. Базовую цифровую модель местности используют для привязки и координирования всех используемых в конкретной ГИС картографических, аэрокосмических, статистических, кадастровых и иных данных. В качестве базовой цифровой модели местности рекомендуется использовать цифровые топографические планы масштабов 1:500 – 1:10000 на территорию городской застройки и масштабов 1:10000 – 1:50000 на территорию пригородных зон. В зависимости от тематики, проблемной ориентации и решаемых в ГИС задач, для со здания цифровой модели местности используют следующие картографические материалы: • топографические карты и планы; • карты административно-территориального устройства; • кадастровые карты и планы; • фотокарты, ортофотопланы местности; • ландшафтные карты; • карты природного районирования и схемы природных контуров; • карты использования земель и др. Лесное хозяйство как отрасль функционирует уже более 200 лет, имеет устоявшуюся организационную структуру и отработанные методы ведения хозяйства. Все уровни управления лесным хозяйством с давних времен используют лесные тематические карты. Жизненный цикл ГИС-проектов в лесной отрасли состоит из двух этапов. На первом этапе создают базы данных лесхоза, при этом в качестве исходных используют картографические и аэрофотосъемочные материалы. На выходе получают традиционные лесные карты и ГИС для лесного хозяйства. Второй этап жизни ГИС-проекта начинается с передачи ГИС лесному хозяйству, т.е. установки системы в лесхозе и дальнейшей эксплуатации. Состав, содержание и масштабные ряды лесных карт определяются отраслевыми стандартами. Самые крупномасштабные лесные карты – это лесоустроительные планшеты, которые выполняются в масштабах 1:10 000 – 1:25 000, с таким расчетом, чтобы на каждом листе размещалось полностью несколько лесных кварталов. Минимальным площадным объектом этих карт является участок леса, считающийся в целом однородным по параметрам лесонасаждений и лесорастительным условиям – учетная единица лесного хозяйства. Планшеты являются основным рабочим картографическим материалом для лесного хозяйства. Фактически все вместе планшеты образуют многолистную крупномасштабную карту лесничества. Следующими по масштабу являются планы лесонасаждений и тематические карты в масштабах 1:25000 – 1:50000. Они отражено лесничество в целом. Фактически это карты на той же картографической основе, что и лесоустроительные планшеты, но более мелкомасштабные и имеющие значительную тематическую нагрузку (окрашенные в различные цвета по преобладающим породам и другим параметрам леса, точечные и линейные условные знаки). Схемы лесхозов различного назначения, включая карты лесов лесхозов, являются следующими по масштабу картографическими материалами. Они выполняются в масштабах 1:100000 – 1:500000 на лесхоз в целом или на его части. На них, кроме лесных территорий, частично изображаются и территории между лесными массивами (населенные пункты, транспортная сеть, гидрография). На схему наносятся также все объекты инфраструктуры лесхоза (контор лесхоза и лесничеств, складов, средств противопожарного назначения и др.). Следующий уровень лесных карт – карты лесов субъектов РФ. Они выполняются в масштабах 1:200 000 и мельче. Самыми мелкомасштабными лесными картами являются карты лесов РФ в целом, масштабов от 1:2 500 000 и мельче, а тематика характеризует леса с различных точек зрения и отражает различные стороны производственной деятельности лесной отрасли. Например, карта лесов Российской Федерации по преобладающим породам или карты лесорастительного районирования. Совершенствование эффективности использования ГИС – проектов в лесном хозяйстве возможно за счет оптимизации технологий и совершенствования прикладного программного обеспечения ГИС, увеличения автоматизации вычислений площадей, развития специализированных средств пространственного анализа ситуации в лесу и разработки на их основе средств проектирования рубок леса, лесовосстановления, проектирования дорог и т.п. В области инженерных коммуникаций ГИС позволяют предприятию тех или иных инженерных сетей существовать в едином информационном пространстве с другими объектами на той же территории. Если несколько лет назад каждая организация, использующая ГИС для своих целей, вводила всю пространственную подоснову сама, то сейчас предприятию сетей достаточно получить от города информацию по кварталам, зданиям, улицам, сетям других организаций и т. д. и заниматься только созданием и наполнением слоев, связанных с их собственными сетями. Наличие комплексной информации о территории, возможность выполнения различных пространственных запросов существенно помогает при принятии решений по развитию сетей, их ремонту и устранению аварий. В условиях возрастающего антропогенного воздействия на окружающую природную среду с особой остротой встает задача анализа и оценки состояния компонентов окружающей природной среды. Положение усугубляется и за счет неадекватной реакции различных экосистем и ландшафтов на поступление продуктов человеческой деятельности. Использование информационного подхода, базирующегося на геоинформационных технологиях, позволяет не только количественно описать процессы, происходящие в сложных эко- и геосистемах, но и, смоделировав механизмы этих процессов, научно обосновать методы оценки состояния различных компонентов окружающей природной среды. В настоящий момент экологические ГИС представляют собой сложные информационные системы, включающую мощную операционную систему, интерфейс пользователя, системы ведения баз данных и отображения экологической информации. На рис. 13 перечислены основные области использования ГИС-проектов для решения экологических задач. В геологии решение задач с применением ГИС выделяют в следующие группы: • создание геологических и тематических карт; • геологическое прогнозирование; • создание карт распределения геологической продукции и информации; • создание двумерных и трехмерных моделей подсчета запасов полезных ископаемых и карт в изолиниях; • мониторинг различных аспектов геологической среды. Все эти группы задач различаются по целям, содержательному наполнению и используемому программному обеспечению. В иерархии масштабов геологических карт выделяют государственные геологические карты масштабов 1:1000000, 1:200000, 1:50000, 1:10000 и геологические планы масштабов 1: 5000, 1:2000, 1 1000. Силовые структуры – это государственные службы, отвечающие за безопасность и обеспечивающие защиту граждан, инженерных сооружений и объектов, расположенных на закрепленной за ними территории. Все силовые структуры обязаны оперативно принимать оптимальные решения, планировать и контролировать исполнение распоряжений подчиненными подразделениями и службами, для чего необходимо: • владеть достоверной информацией о состоянии и изменениях, происходящих на закрепленной за ними территории (местонахождение зданий, сооружений, объектов, людских ресурсов и т.д.); • оценивать и прогнозировать возможные изменения, связанные с сезонными и техногенными явлениями, а также враждебными действиями отдельных граждан, групп и государств. Для этих целей силовые структуры в основном используют топографические карты и планы, материалы воздушной и космической съемок, статистические данные различных ведомств и служб и другую специальную и справочную информацию. Появление ГИС позволило объединить разнородную информацию в одной пространственно распределенной базе данных и решать различные по сложности задачи планирования, контроля и прогнозирования. С ростом использования ГИС в армии и на флоте стало очевидно, что необходима ГИС для поддержки боевых действий и международных миротворческих операций. Функциональные возможности такой ГИС должны включать создание тактических карт, анализ целей, контроль оперативной обстановки и ряд связанных приложений. ГИС-технологии в землеустройстве и кадастрах дают возможность использовать для ввода и обновления сведений современные электронные средства геодезии и системы глобального позиционирования, а значит постоянно иметь самую точную и достоверную информацию. Специальные средства ГИС позволяют проводить аналитическую обработку данных, моделируя различные ситуации. Наличие таких возможностей позволяет быстро и эффективно (часто в камеральных условиях), с необходимой точностью проводить формирование объектов кадастрового учета. Кроме этого, ГИС решает проблему совместимости систем координат, когда съемка выполняется в одной системе координат, обработка ее результатов и последующая проверка в другой, а приемку результатов осуществляют в третьей системе координат. Лекция 8. Программное обеспечение ГИС Функциональные особенности программного обеспечения ГИС определяются их ориентацией на обработку и анализ атрибутивной информации. На начальном этапе проектирования ГИС устанавливают требования к программному обеспечению по следующим направлениям: • состав и структура; • функции обработки данных; • точность и скорость обработки данных; • взаимодействие с другими программными продуктами; • пользовательский интерфейс; • обеспечение качества и совместимости программных средств. Программное обеспечение ГИС включает общее и специальное программное обеспечение. В состав общего программного обеспечения входят: • операционная система; • СУБД; • универсальные средства разработки и отладки программ; • текстовые и графические редакторы. В состав специального программного обеспечения входят: • библиотека (библиотеки) программных средств, реализующих основные операции геоинформационных технологий; • совокупность прикладных программ, предназначенных для решения задач конкретной ГИС. Программное обеспечение реализует следующие основные операции геоинформационных технологий: • ввод пространственных данных путем их импорта из существующих наборов данных или внешних источников данных; • преобразование данных, включая конвертацию из одного формата в другой; • оверлей; • преобразование картографических проекций, изменение системы координат; • хранение, манипулирование и управление данными; • выполнение картометрических операций, включая вычисление расстояний между объектами, длин линий, периметров и площадей полигональных объектов и др.; • пространственный анализ объектов, включая анализ зон видимости, анализ сетей и др.; • пространственное моделирование, включая построение и анализ пространственных моделей; • визуализация исходных, производных или итоговых данных (результатов обработки); • формирование и вывод данных, в том числе в картографической (графической), табличной, текстовой формах. В качестве дополнительных функций в программное обеспечение включаются цифровая об работка данных дистанционного зондирования Земли и автоматизированное картографирование и обработка изображений. Лекция 9. Обзор программных продуктов ГИС различных разработчиков На российском рынке в настоящее время представлен широкий выбор ГИС как отечественного, так и импортного производства. Наиболее перспективным является программный продукт, который реализован как для работы на мощных рабочих станциях, так и на персональных компьютерах, поддерживающий большое количество стандартов обмена данными и работающий с разнородной информацией о местности. Рассмотрим популярные ГИС. Программный продукт «Arc/Info» – это одна из первых профессиональных ГИС, ориентированная на работу с пространственной информацией, хранимой в базе данных. В результате её внедрения произошёл настоящий переворот в цифровой картографии и в способах работы с пространственной информацией. Система «Arc/Info» состоит из базового комплекта программ и дополнительных модулей, которые могут приобретаться отдельно в дополнение к базовому комплекту. Базовый комплект программного обеспечения представляет собой полнофункциональную ГИС для работы в различных прикладных областях. Он поддерживает весь цикл работ по созданию и использованию ГИС от ввода данных и их редактирования до организации информационных запросов, анализа пространственной информации и подготовки чистовой картографической продукции в виде твёрдых копий. Для ГИС «Arc/Info» характерна множественная открытость. Её функции одинаковы при использовании операционных систем UNIX и Windows. Модуль «Arc/Info GRID» предназначен для расширения возможностей растрового моделирования в системе «Arc/Info» и преобразует её в интегрированную растрово-векторную ГИС. Этот модуль может быть использован в анализе непрерывных признаков и моделирование сложных процессов, в области гидрологического анализа, геологического прогнозирования, анализа расстояний, многомерного статистического анализа пространственных данных, анализа временных рядов. Программные продукты «MicroStation» фирмы «Bentley Systems» работает в среде MS Windows, UNIX, Mac. Программа использует векторные графические данные в формате DGN. Этот формат является открытым. Программное обеспечение Intergraph позволяет использовать данные многих типов электронных геодезических приборов. Система позволяет читать файлы в форматах DWG и DXF фирмы «Autodesk». Имеется конвертор данных между системами «Intergraph» и «Mapinfo». Система позволяет работать с растровыми данными всех распространённых форматов. При помощи программных средств можно создавать и анализировать цифровые матрицы рельефа. Программные средства обработки изображений MGE позволяют осуществлять геометрическую коррекцию цифровых изображений местности и совмещать их с картографической основой. Возможность интегрировать различные типы исходных данных и использовать разные техники моделирования обеспечивает оптимальную гибкость конструирования ландшафтов, визуализацию поверхностей, включает в себя средства редактирования данных и анализ траекторий потоков воды в случае атмосферных осадков. Подключать растровые изображения в качестве подложки для векторных карт, визуализировать полученные модели рельефа с возможностью поворота, наклона и изменения угла наблюдения. Программные продукты КБ «ПАНОРАМА» разработаны отечественными программистами для использования в автоматизированных системах управления в различных областях деятельности. Поддерживает все основные функции ГИС по работе с пространственными данными. Профессиональная ГИС «Карта 2011» включает средства создания и редактирования электронных карт в многопользовательском режиме, выполнения различных измерений и расчетов, оверлейных операций, построения 3D моделей, обработки растровых данных, построения ортофотопланов, создания матриц высот, качеств, многослойных (геологических) матриц, средства тематического картографирования, подготовки карт к изданию, работы с GPS-приемниками, а также инструментальные средства для работы с базами данных (конструкторы форм, запросов, отчетов). Содержит примеры встроенных прикладных задач. ГИС «MapInfo Professional» разработана фирмой MapInfo Corp. (США). Система входит в число самых распространенных в России. Пакет «MapInfo» специально спроектирован для обработки и анализа информации, имеющей адресную или пространственную привязку. Наличие большого числа утилит существенно расширяет функциональные возможности системы. «WinGIS» – профессиональная геоинформационная система фирмы «Progis» (Австрия), разработанная в 1993 г. В 2000 г. началась поставка в России. ГИС позволяет проводить полный комплекс работ по созданию и анализу электронных карт. Интерфейс выведен на «плавающую» панель кнопок и их набор определяется пользователем, что весьма удобно для непрофессионала, не знающего спе­цифических терминов ГИС. Большинство функциональных команд могут исполняться из приложения пользователя, написанного на любом языке программирования. «ИнГео» разработана фирмой «Интегро» в г. Уфа. Первая версия программы была внедрена в 1998 г. Программа создавалась как инструментальная многоцелевая ГИС для решения муниципальных задач на крупномасштабных топографических планах. Система позволяет создавать электронные карты, автоматически устанавливает топологические связи между объектами согласно описанию концептуальных топологических отношений между векторными слоями, поддерживает все виды топоотношений, формирует единую распределенную базу данных нескольких организаций, обеспечивает публикацию карт в сети Интернет, интеграцию с комплексной кадастровой системой учета территориальных ресурсов в городе (земельные участки, здания, помещения, сооружения, акции, паи и др.). «Ибис-Лесхоз» разработана Научно-техническим центром «Ибис» (Россия) в 2001 г. и предназначена для учета лесного фонда, лесохозяйственных мероприятий, автоматизации документооборота, ведения повыдельной базы данных. ГИС с полностью открытыми интерфейсами и программным кодом. Она представляет собой комплексное решение в области лесного хозяйства, решение задач учета лесного фонда, документооборота, отвода лесосек, ГИС-технологии. Программная система гидрогеологического моделирования «Геолинк» разработана в 1991 г. Назначение программы – моделирование стационарных и не­стационарных задач движения подземных вод в многослойных средах. Применяется при изучении гидрогеодинамических закономерностей водоносных систем, оценке запасов и ресурсов подземных вод, решении задач управления системами мониторинга, состояния недр и д.р. Геоинформационная система Санкт-Петербурга (РГИС) – региональная информационная система, содержащая сведения об объектах недвижимости и объектах землеустройства. РГИС Санкт-Петербурга представляет собой единое хранилище пространственных данных об объектах недвижимости Санкт-Петербурга, включая достоверные сведения о земельных участках, зданиях (сооружениях), градостроительных зонах, объектах культурного наследия и охранных зонах. Одной из основных задач создания системы заключалось в объединении информационных ресурсов различных органов власти для предоставления информации всем гражданам в свободном доступе. Создание РГИС приурочено к реализации программы «электронного правительства», а уникальность данной системы заключается в оперативности и достоверности представленной в ней информации. Достоверность обеспечивается предоставлением юридически значимой информации от исполнительных органов государственной власти Санкт-Петербурга и внутренним контролем со стороны Комитета. Оперативность обеспечивается обновлением кадастровой информации периодичностью 1 раз в час и загрузкой на информационный сайт слоев, получаемых в соответствии с Соглашениями об информационном обмене, в течение не более 1 суток с момента их получения. Конкретный выбор ГИС будет зависеть прежде всего от целей использования, финансовых возможностей пользователей (стоимость зарубежных ГИС составляет от нескольких тысяч до десятков тысяч долларов) и от того, в каких форматах имеются исходные данные (электронные карты). Использование данных во внутреннем формате ГИС наиболее предпочтительно, так как конвертирова­ние данных из обменных форматов приводит к определённым потерям данных (искажение внешнего вида объектов, потеря топологических связей и т. д.).