Географической информационной системы ( ГИС ) является осмысляется структура , которая обеспечивает возможность захвата и анализа пространственных и географических данных . ГИС-приложения (или ГИС-приложения ) - это компьютерные инструменты, которые позволяют пользователю создавать интерактивные запросы (пользовательские поиски), анализировать вывод пространственной информации, редактировать данные, представленные на картах, и визуально обмениваться результатами этих операций. [1] [2]
Географическая информатика ( или GIScience ) - научное исследование географических концепций, приложений и систем - также обычно инициализируется как ГИС . [3]
Геоинформационные системы используются во многих технологиях, процессах, методах и методах. Он привязан к различным операциям и многочисленным приложениям, связанным с: проектированием, планированием, управлением, транспортом / логистикой, страхованием, телекоммуникациями и бизнесом. [2] По этой причине ГИС и приложения для определения местоположения лежат в основе сервисов с поддержкой определения местоположения , которые опираются на географический анализ и визуализацию.
ГИС предоставляет возможность связать ранее несвязанную информацию, используя местоположение в качестве «ключевой переменной индекса» . Местоположения и экстенты, которые находятся в пространстве-времени Земли , могут быть записаны через дату и время возникновения, а также координаты x, y и z ; отображение, долгота ( x ), широта ( y ) и высота ( z ). Все наземные, пространственно-временные привязки, местоположения и экстенты должны быть связаны друг с другом и, в конечном счете, с «реальным» физическим местоположением или экстентом. Эта ключевая характеристика ГИС начала открывать новые направления научных исследований и исследований.
История развития [ править ]
Фраза «географическая информационная система» была придумана Роджером Томлинсоном в 1968 году, когда он опубликовал научную статью «Географическая информационная система для регионального планирования». [4] Томлинсону, признанному «отцом ГИС», приписывают возможность создания первой компьютеризированной ГИС благодаря его работе над Канадской географической информационной системой в 1963 году. В конечном счете, Томлинсон создал основу для базы данных, которая была способна хранения и анализа огромных объемов данных; что привело к тому, что канадское правительство смогло реализовать свою Национальную программу управления землепользованием. [5] [6]
Версия Э. В. Гилберта (1958 г.) карты Джона Сноу в 1855 г., посвященной вспышке холерного гриппа в Сохо, показывающей группы случаев заболевания холерой в ходе Лондонской эпидемии 1854 г.
Один из первых известных случаев, когда пространственный анализ использовался, пришел из области эпидемиологии в « Раппорт о марше и истории в Париже и Сен- де-ла- Сен » (1832). [7] Французский географ и картограф , Чарльз Picquet , создал карту с изложением сорок восемь округов в Париже , используя полутоновые цветные градиенты, чтобы обеспечить визуальное представление для числа зарегистрированных случаев смерти от холеры , на каждые 1000 жителей.
В 1854 году Джон Сноу , эпидемиолог и врач, смог определить источник вспышки холеры в Лондоне с помощью пространственного анализа. Снег добился этого, нанеся на карту местности место жительства каждой жертвы, а также близлежащие источники воды. Как только эти точки были отмечены, он смог визуализировать источник воды в кластере, который был ответственен за вспышку. Это было одно из первых успешных применений географической методологии для определения источника эпидемической эпидемии. В то время как основные элементы топографии и темы существовали ранее в картографииКарта Сноу была уникальной благодаря тому, что он использовал картографические методы не только для изображения, но и для анализа кластеров географически зависимых явлений.
В начале 20-го века была разработана фотоцинкография , которая позволила разделить карты на слои, например, один слой для растительности и другой для воды. Это особенно использовалось для печати контуров - рисование их было трудоемкой задачей, но их расположение на отдельном слое означало, что с ними можно работать без других слоев, чтобы сбить с толку рисовальщика . Эта работа была первоначально нарисована на стеклянных пластинах, но позже на пластиковой пленкебыл представлен, с преимуществами того, чтобы быть легче, используя меньше места для хранения и быть менее хрупким, среди других. Когда все слои были закончены, они были объединены в одно изображение с помощью большой технологической камеры. Когда пришла цветная печать, идея слоев также использовалась для создания отдельных печатных форм для каждого цвета. Хотя использование слоев намного позже стало одной из основных типичных особенностей современной ГИС, только что описанный фотографический процесс не считается ГИС сам по себе - поскольку карты были просто изображениями без базы данных, с которой можно было бы связать их.
В первые годы существования ГИС были отмечены два дополнительных события: публикация Яна Макхарга « Дизайн с природой» [8], метод наложения карт и введение уличной сети в систему DIME (Dual Independent Map Encoding) Бюро переписи населения США. [9]
Разработка компьютерного оборудования, стимулируемая исследованиями в области ядерного оружия, привела к тому, что к началу 1960-х годов компьютерные «картографические» приложения общего назначения. [10]
В 1960 году федеральное министерство лесного хозяйства и развития сельских районов разработало первую в мире действительно действующую ГИС в Оттаве, Онтарио , Канада. Разработанная доктором Роджером Томлинсоном , она называлась Канадская географическая информационная система (CGIS) и использовалась для хранения, анализа и манипулирования данными, собранными для канадского кадастра земель - попытка определить потенциал земли для сельской Канады путем картирования информации о почвы , сельское хозяйство, рекреация, животный мир, водоплавающие птицы , лесное хозяйство и землепользование в масштабе 1: 50 000. Также был добавлен фактор классификации рейтинга для анализа.
CGIS стала усовершенствованием по сравнению с приложениями «компьютерного картографирования», поскольку она обеспечивала возможности наложения, измерения и оцифровки / сканирования. Он поддерживал национальную систему координат, охватывающую весь континент, закодированные линии в виде дуг, имеющих истинную встроенную топологию, и он сохранял информацию об атрибутах и местоположении в отдельных файлах. В результате этого Томлинсон стал известен как «отец ГИС», особенно за то, что он использовал наложения в продвижении пространственного анализа сходящихся географических данных. [11]
CGIS просуществовал в 1990-х годах и создал большую базу данных о цифровых земельных ресурсах в Канаде. Он был разработан как основанная на мэйнфреймах система поддержки федерального и провинциального планирования и управления ресурсами. Его сильная сторона заключалась во всестороннем анализе сложных наборов данных . CGIS никогда не был доступен в продаже.
В 1964 году Говард Т. Фишер основал Лабораторию компьютерной графики и пространственного анализа при Гарвардской высшей школе дизайна (LCGSA 1965–1991), где был разработан ряд важных теоретических концепций в области обработки пространственных данных и которые к 1970-м годам распространили оригинальный программный код и системы, такие как SYMAP, GRID и ODYSSEY, которые служили источниками для последующей коммерческой разработки, для университетов, исследовательских центров и корпораций по всему миру. [12]
К концу 1970-х годов находились в разработке две общедоступные ГИС-системы ( MOSS и GRASS GIS ), а к началу 1980-х M & S Computing (позже Intergraph ) вместе с Bentley Systems Incorporated для платформы CAD , Институт исследований экологических систем ( ESRI ), CARIS (Computer Aided Resource Information System), MapInfo Corporation и ERDAS (Система анализа данных о Земле) появились в качестве коммерческих поставщиков программного обеспечения ГИС, успешно включив многие функции CGIS, сочетая подход первого поколения для разделения пространственной и атрибутивной информации со вторым генерационный подход к организации атрибутивных данных в структурах базы данных.[13]
В 1986 году система отображения и анализа карт (MIDAS), первый настольный ГИС-продукт [14], была выпущена для операционной системы DOS . Это было переименовано в 1990 году в MapInfo для Windows, когда оно было перенесено на платформу Microsoft Windows . Начался процесс перевода ГИС из исследовательского отдела в бизнес-среду.
К концу 20-го века быстрый рост в различных системах был консолидирован и стандартизирован на относительно небольшом количестве платформ, и пользователи начали изучать возможность просмотра данных ГИС через Интернет , требуя формат данных и стандарты передачи. В последнее время растет число бесплатных ГИС-пакетов с открытым исходным кодом, которые работают в различных операционных системах и могут быть настроены для выполнения конкретных задач. Все больше геопространственных данных и картографических приложений становятся доступны через World Wide Web (см. Список программного обеспечения ГИС § ГИС как услуга ). [15]
Было опубликовано несколько статей по истории ГИС. [16]
Техника и технология [ править ]
Современные ГИС-технологии используют цифровую информацию, для чего используются различные методы создания оцифрованных данных. Наиболее распространенным методом создания данных является оцифровка , когда карта в печатном виде или план съемки передаются на цифровой носитель с помощью программы CAD и возможностей геопривязки. В связи с широкой доступностью ортотрансформированных изображений (со спутников, самолетов, геликитов и беспилотных летательных аппаратов) оцифровка в режиме «один на один» становится основным средством извлечения географических данных. Оцифровка с опережением включает в себя отслеживание географических данных непосредственно поверх аэрофотоснимков, а не с помощью традиционного метода прослеживания географической формы на отдельном планшете для оцифровки ( оцифровка с использованием головы). [требуется уточнение ]
Геообработка - это ГИС-операция, используемая для манипулирования пространственными данными. Типичная операция геообработки принимает входной набор данных , выполняет операцию с этим набором данных и возвращает результат операции в качестве выходного набора данных. Обычные операции геообработки включают наложение географических объектов, выбор и анализ объектов, обработку топологии, обработку растров и преобразование данных. Геообработка позволяет определять, управлять и анализировать информацию, используемую для формирования решений. [17]
Связывание информации из разных источников [ править ]
ГИС использует пространственно-временное ( пространственно-временное ) местоположение в качестве ключевой переменной индекса для всей другой информации. Точно так же, как реляционная база данных, содержащая текст или числа, может связывать множество различных таблиц с использованием переменных индекса общего ключа, ГИС может связывать информацию, не связанную с иным способом, используя местоположение в качестве переменной индекса ключа. Ключом является местоположение и / или экстент в пространстве-времени.
Любая переменная, которая может быть расположена пространственно, а также все более и более временно, может быть использована с помощью ГИС. Местоположения или экстенты в пространстве-времени Земли могут быть записаны как даты / время появления, а координаты x, y и z представляют долготу , широту и высоту соответственно. Эти ГИС-координаты могут представлять другие количественные системы пространственно-временной привязки (например, номер кадра фильма, станция контроля потока, маркер мили, эталон геодезиста, адрес здания, перекресток улиц, въездные ворота, зондирование глубины, POS или чертеж CAD происхождение / единиц). Единицы, применяемые к записанным пространственно-временным данным, могут сильно различаться (даже при использовании точно таких же данных см.картографические проекции ), но все наземные пространственно-временные привязки местоположения и экстента должны, в идеале, быть привязаны друг к другу и, в конечном счете, к «реальному» физическому местоположению или экстенту в пространстве-времени.
Связанные с точной пространственной информацией, невероятное разнообразие реальных и прогнозируемых прошлых или будущих данных может быть проанализировано, интерпретировано и представлено. [18] Эта ключевая характеристика ГИС начала открывать новые возможности для научных исследований поведения и моделей реальной информации, которые ранее не были систематически коррелированы .
Неопределенности ГИС [ править ]
Точность ГИС зависит от исходных данных и от того, как они кодируются для ссылки на данные. Землемеры смогли обеспечить высокий уровень точности позиционирования, используя GPS- ориентированные позиции. [19] Цифровые изображения местности и аэрофотоснимки с высоким разрешением, [20] мощные компьютеры и веб-технологии меняют качество, полезность и ожидания ГИС в широком масштабе для обслуживания общества, но, тем не менее, существуют другие источники данных, которые влияют на общую ГИС. точность, как бумажные карты, хотя они могут иметь ограниченное применение для достижения желаемой точности.
При разработке цифровой топографической базы данных для ГИС топографические карты являются основным источником, а аэрофотосъемка и спутниковые снимки являются дополнительными источниками для сбора данных и идентификации атрибутов, которые могут быть отображены в слоях в масштабах местоположения. Масштаб карты и тип представления географической области рендеринга [ требуется уточнение ] являются очень важными аспектами, поскольку содержание информации зависит главным образом от набора масштаба и результирующей локализации представлений карты. Чтобы оцифровать карту, необходимо проверить карту в теоретических измерениях, затем отсканировать в растровый формат, и полученным растровым данным нужно дать теоретическое измерениетехнология резинового покрытия / коробления.
Количественный анализ карт фокусируется на проблемах точности. Электронное и другое оборудование, используемое для измерений ГИС, гораздо точнее, чем машины обычного анализа карт. Все географические данные изначально неточны, и эти неточности будут распространяться через операции ГИС способами, которые трудно предсказать.
Представление данных [ править ]
Основная статья: форматы файлов ГИС
Данные ГИС представляют реальные объекты (такие как дороги, землепользование, высота, деревья, водные пути и т. Д.) С цифровыми данными, определяющими сочетание. Реальные объекты можно разделить на две абстракции: отдельные объекты (например, дом) и непрерывные поля (например, количество осадков или высота). Традиционно для хранения данных в ГИС используются два широких метода для ссылок на отображение абстракций обоих видов: растровые изображения и векторные . Точки, линии и полигоны - это материал привязанных ссылок на атрибуты местоположения. Новый гибридный метод хранения данных состоит в том, чтобы идентифицировать облака точек, которые комбинируют трехмерные точки с информацией RGB в каждой точке, возвращая « цветное трехмерное изображение».«Тематические карты ГИС становятся все более реалистично визуально описывающими то, что они намеревались показать или определить.
Список популярных форматов файлов ГИС, таких как шейп-файлы , см. В разделе Форматы файлов ГИС. § Популярные форматы файлов ГИС .
Сбор данных [ править ]
Пример оборудования для картографии ( GPS и лазерный дальномер ) и сбора данных ( надежный компьютер ). Современная тенденция для географической информационной системы (ГИС) заключается в том, что точное картографирование и анализ данных выполняются в полевых условиях. Изображенное оборудование ( технология карт местности) используется в основном для инвентаризации лесов , мониторинга и составления карт.
Сбор данных - ввод информации в систему - отнимает много времени у специалистов по ГИС. Существует множество методов, используемых для ввода данных в ГИС, где они хранятся в цифровом формате.
Существующие данные, напечатанные на бумажных или полиэтиленовых пленочных картах, могут быть оцифрованы или отсканированы для получения цифровых данных. Дигитайзер создает векторные данные, когда оператор отслеживает точки, линии и границы полигонов с карты. Сканирование карты приводит к растровым данным, которые могут быть дополнительно обработаны для получения векторных данных.
Данные съемки могут быть непосредственно введены в ГИС из цифровых систем сбора данных на инструментах съемки с использованием метода, называемого координатной геометрией (COGO) . Позиции из глобальной навигационной спутниковой системы ( GNSS ), такой как Global Positioning System, также можно собирать и затем импортировать в ГИС. Современная тенденция сбора данных дает пользователям возможность использовать полевые компьютеры с возможностью редактировать живые данные, используя беспроводные соединения или отключенные сеансы редактирования. [21]Это было улучшено благодаря доступности недорогих GPS-картографических устройств с точностью до дециметра в режиме реального времени. Это устраняет необходимость размещать, импортировать и обновлять данные в офисе после того, как полевые работы были собраны. Это включает в себя возможность включать позиции, собранные с помощью лазерного дальномера . Новые технологии также позволяют пользователям создавать карты и проводить анализ непосредственно в полевых условиях, что делает проекты более эффективными и более точными.
Данные дистанционного зондирования также играют важную роль в сборе данных и состоят из датчиков, подключенных к платформе. Датчики включают камеры, цифровые сканеры и лидары , в то время как платформы обычно состоят из самолетов и спутников . В Англии в середине 1990-х годов гибридные воздушные змеи / воздушные шары, называемые геликитами, впервые стали использовать компактные бортовые цифровые камеры в качестве бортовых геоинформационных систем. Программное обеспечение для измерения самолета с точностью до 0,4 мм использовалось для привязки фотографий и измерения земли. Геликиты стоят недорого и собирают более точные данные, чем самолеты. Геликиты могут использоваться на дорогах, железных дорогах и в городах, где беспилотные летательные аппараты (БЛА) запрещены.
В последнее время сбор аэрофотоснимков становится возможным с помощью миниатюрных БПЛА . Например, разведчик Aeryon использовался для картирования 50-акровой области с расстоянием между землей на расстоянии 1 дюйм (2,54 см) всего за 12 минут. [22]
Большая часть цифровых данных в настоящее время поступает от интерпретации фотографий с аэрофотоснимков. Рабочие станции с мягким копированием используются для оцифровки функций непосредственно из стереопар цифровых фотографий. Эти системы позволяют собирать данные в двух и трех измерениях, причем измерения высот измеряются непосредственно из стереопары с использованием принципов фотограмметрии . Аналоговые аэрофотоснимки должны быть отсканированы перед вводом в систему мягкого копирования, для высококачественных цифровых камер этот шаг пропускается.
Спутниковое дистанционное зондирование обеспечивает еще один важный источник пространственных данных. Здесь спутники используют различные пакеты датчиков для пассивного измерения отражательной способности от частей электромагнитного спектра или радиоволн, которые были отправлены от активного датчика, такого как радар. Дистанционное зондирование собирает растровые данные, которые могут быть дополнительно обработаны с использованием различных полос для идентификации объектов и классов, представляющих интерес, таких как земной покров.
Когда данные собираются, пользователь должен решить, следует ли собирать данные с относительной или абсолютной точностью, поскольку это может повлиять не только на то, как будет интерпретироваться информация, но и на стоимость сбора данных.
После ввода данных в ГИС данные обычно требуют редактирования, удаления ошибок или дальнейшей обработки. Для векторных данных это должно быть сделано "топологически корректным", прежде чем его можно будет использовать для некоторого расширенного анализа. Например, в дорожной сети линии должны соединяться с узлами на перекрестке. Ошибки, такие как неполадки и выбросы, также должны быть удалены. Для отсканированных карт, пятна на исходной карте, возможно, потребуется удалить из результирующего растра . Например, пятно грязи может соединить две линии, которые не должны быть соединены.
1 2 3