Основы использования геоинформационных систем в образовании - Дмитрий Марков

Как работают ГИС?

Мы уже знаем, что под ГИС понимают прикладные компьютерные программы, которые позволяют анализировать размещение объектов, процессов и явлений по территории с учетом правил картографии и проводить работу по сбору, хранению, анализу и отображению пространственной и атрибутивной (электронные таблицы) информации. В самом первом приближении ГИС можно представить как единый комплекс редактора растровой (Paint, Adobe Photoshop) и векторной (Corel Draw) графики с редактором электронных таблиц (MS Excel, Ststistica). При использовании такого «комбайна» мы можем анализировать графическую и статистическую информацию, интегрировать ее и отображать в удобном виде. Представление о функциональных возможностях современных ГИС дает следующий рисунок.

Рис. 2. Функциональный возможности ГИС

Примером принципиальной структуры ГИС является следующий рисунок, иллюстрирующий работу с базой данных «Шуя».

Рис. 3. Геоинформационный проект «Шуя»

Указанная база данных создана с использованием средств ГИС ArcGIS 10.0. Она представляет собой электронную карту города, которая состоит из последовательности слоев, каждый из которых представляет собой аналог прозрачной пленки. Слои накладываются один на другой и формируют составное изображение. Пользователь может включить или отключить отображение слоя, соответственно карта будет изменяться в зависимости от решаемых задач. Важной составной частью ГИС является встроенный редактор электронных таблиц (во многом аналогичный MS Excel). Электронная таблица содержит текстовую и цифровую информацию, а также гиперссылки и позволяет проводить ряд статистических операций. При этом каждый объект, нанесенный на карту, отображается в таблице, и наоборот. Есть у ГИС еще одно важное преимущество по сравнению с другими прикладными программами – они позволяют отображать информацию с учетом кривизны земной поверхности (о системах координат и проекциях мы поговорим ниже).

Если бы ГИС могли только интегрировать графическую и табличную (атрибутивную) информацию, они уже были бы мощным средством анализа географической информации. Но на этом функциональные возможности ГИС не ограничиваются. Современные ГИС представляют собой не просто электронное хранилище информации, они являются интерактивным инструментами взаимодействия с картами. Мы можем совмещать информацию из разных источников, проводить расчет статистических показателей, выводить результаты расчета в виде деловой графики, строить цифровые модели рельефа и выполнять другие операции. Таким образом, использование ГИС заменяет целый ряд специализированных компьютерных программ.

Зачем нужно использовать ГИС?

Как мы уже узнали изучение ГИС требует серьезной подготовки и сопряжено со значительными затратами времени и сил. Поэтому ответ на поставленный вопрос зависит от Ваших конечных целей и может быть выражен следующей аналогией – если требуется посадить растение, то достаточно использования обычного садового совка, а для разработки песчаного карьера уже не обойтись без экскаватора. Если Вашей главной задачей является создание «картинки», на которой будут отмечены «кружочки» (пунсоны), то вполне можно ограничиться использованием базового набора компьютерных программ (Paint, MS Office и др.). В принципе, создать элементарную карту можно и в многофункциональном текстовом редакторе MS Word. Правда изображение, как правило, будет не столь точным и эффектным, как хотелось бы создателю. Если же Вашей целью является получение достойного (ожидаемого) результата, за который будет не стыдно ни перед коллегами, ни перед самим собой, то, разумеется, необходимо использовать профессиональные средства. Термин «профессиональные» здесь используется не для того, чтобы испугать начинающих пользователей, а для того, чтобы указать на широкий спектр возможностей, которыми обладают эти программы.

Примером использования разных технологий при создании картографических материалов являются приведенные ниже карты. Первая из них отражает плотность сельского населения по муниципалитетам Ивановской области (создана в программах Paint и MS Word). Вторая иллюстрирует общую численность населения на 01.01.2009 г. (изготовлена с использованием полнофункциональной ГИС Arc GIS 10.0).

Рис. 4. Карта плотности сельского населения Ивановской области (при создании использовалась связка программ Paint и MS Word 2003)

Рис. 5. Карта численности населения Ивановской области (создана с использованием полнофункциональной ГИС Arc GIS 10.0)

При сравнении иллюстраций сразу бросается в глаза то, что на карте, созданной в ГИС, точность отображения информации принципиально выше. Кроме того на изготовление этой карты ушло всего около 10 минут (не считая времени на создание картографической основы). Нужно отметить, что при использовании традиционной технологии карта создается несколько часов.

Даже без учета скорости создания проекта, возможности интеграции материалов, точной координатной привязки, совмещения данных и других параметров сравнение результатов выполнения работы позволяет определить перспективы использования ГИС.

Как описываются пространственно распределенные объекты и явления в ГИС?

Выше мы рассмотрели основные функциональные возможности ГИС и определили, что они работают с двумя основными моделями данных: пространственными и атрибутивными. Теперь пришло время познакомиться с каждой из них подробнее.

Пространственные данные описывают пространственное положение явлений. Представить их можно ответив на вопросы: «Где?», «Какой формы?» и «Какой ориентации?» объект изучается. Обычно пространственные данные отображаются в виде графических объектов на карте (собственно рисунка).

Атрибутивные данные описывают свойства явлений и позволяют ответить на вопросы: «Что?», «Как много?» и «Когда?». Атрибутивные данные обычно хранятся в электронных таблицах или базах данных.

Рис. 6. Принципиальная схема структуры современной ГИС

Как уже понятно из предыдущего изложения ГИС позволяют интегрировать пространственные и атрибутивные данные и составлять в результате единую информационную систему.

Как представляются данные в среде ГИС?

После освоения базовых сведений о геоинформатике, пришло время перейти к общим принципам представления данных в среде ГИС. Для получения качественного результата по созданию ГИС-проектов эти принципы нужно неукоснительно соблюдать!

1. Один слой электронной карты должен содержать один семантический тип явлений (рельеф, гидрография, транспортная сеть и т.д.). Например, в слое, посвященном горизонталям, не должно быть гидрологических объектов. При нарушении этого принципа даже при внешне «правильном» рисунке будет невозможно выполнить даже простейшие операции геоинформационного анализа данных.

2. Необходимо грамотно выбирать какой способ представления пространственных данных необходимо использовать (растровый или векторный). Каждый из этих способов имеет свои характерные сильные и слабые стороны, о которых мы поговорим ниже. Неправильный выбор способа представления данных обычно приводит либо к снижению качества отображаемой информации, либо к сложностям ее обработки (увеличении времени на выполнение даже простейших операций).

3. Управление большими массивами информацией из разных источников эффективно выполняется при использовании средств управлениями базами данных (СУБД). Не нужно бояться этого громкого названия. Для выполнения учебных исследований, как правило, используются такие методы разработки и наполнения баз данных, которые не вызывают значительных затруднений даже у новичков.

4. Особенно внимательно нужно относиться к географическим характеристикам данных (в первую очередь проекции, масштабу, точности и разрешению). Именно этот принцип вызывает наибольшие затруднения у начинающих пользователей ГИС, так как его успешная реализация предполагает относительно высокий уровень картографических знаний. Ниже мы рассмотрим наиболее важные понятия и алгоритмы работы, которые нужно усвоить и использовать в своей работе.

Успешное выполнение этих четырех принципов позволит качественно и эффективно выполнить практически любой ГИС-проект. Рассмотрим каждый принцип более подробно.

Как грамотно создать структуру слоев ГИС?

Структура слоев ГИС зависит от цели работы и исходных данных. Например, в мелкомасштабном картографировании все гидрологические объекты могут быть объединены в одном слое «Гидрография», а при разработке крупномасштабной ГИС реки, озера, родники и колодцы могут быть размещены в разных слоях. Так как изменение структуры слоев готового ГИС-проекта является трудоемкой процедурой, нужно внимательно отнестись к ней на этапе разработки.