Геоинформационные системы

[править] 1. Введение

В последние годы развитие интернет-технологий все в большей степени стало позволять пользователям Сети использовать новые средства доставки информации, в том числе и пространственной. В этой статье мы попробуем дать срез современных технологий используемых в веб-картографии, сделать небольшой экскурс в историю и оценить текущую ситуации с основными игроками, данными, перспективами технологии. Мы не ставим себе целью подробно описать все упоминаемые технологий, и заинтересованным читателям рекомендуем воспользоваться веб, особенно его англоязычной частью, для получения дополнительных данных.

Что такое ПО ГИС / ГИС-приложение?¶

Получить общее представление о внешнем виде ГИС-приложения можно из рисунка . Обычно, ГИС-приложения это программы с графическим интерфейсом, взаимодействие с которыми осуществляется при помощи мыши и клавиатуры. В верхней части окна приложения находится меню (пункты «Файл», «Правка» и т.д.). Нажатие на элемент меню открывает список доступных действий. При помощи действий мы сообщаем ГИС-приложению что мы хотим сделать. Например, можно использовать меню, чтобы добавить на карту новый слой.

Figure Menus in GIS Application:

При щелчке мышью меню приложения раскрывается и отображает список действий, которые можно выполнить.

Панели инструментов (ряд небольших картинок, на которые можно нажимать при помощи мыши) обычно расположены под меню и предоставляют быстрый доступ к наиболее используемым действиям.

Figure Toolbars in GIS Application:

Панели инструментов предоставляют быстрый доступ к наиболее востребованным функциям. Задержав курсор над кнопкой, как правило, можно получить краткое описание её назначения.

Общей для всех ГИС-приложений является способность отображать слои карты. Слои хранятся в виде файлов на диске или как записи в базе данных. Как правило, каждый слой соответствует каким-либо объектам реального мира — например, слой дорог содержит информацию о дорожной сети.

После открытия слоя в ГИС-приложении он появится в области карты. Область карты отображает графическое представление слоя. При добавлении нескольких слоёв в область карты они будут наложены друг на друга. На рисунках , , и показано ГИС-приложение с несколькими загруженными слоями

Важной возможностью области карты является масштабирование (увеличение и уменьшение) представленных данных, а также панорамирование (прокрутка, перемещение) карты

Figure Map View 1:

Карта с добавленными слоями. На карту добавлен слой городов.

Figure Map View 2:

Карта с добавленными слоями. На карту добавлен слой школ.

Figure Map View 3:

Карта с добавленными слоями. На карту добавлен слой железных дорог.

Figure Map View 4:

Карта с добавленными слоями. На карту добавлен слой рек.

Ещё одним общим элементом ГИС-приложений является легенда. В легенде отображаются слои, загруженные в ГИС-приложение. В отличие от легенды на бумажных картах, легенда или «список слоёв» ГИС-приложения позволяет упорядочивать, скрывать, отображать и группировать слои. Изменение порядка слоёв выполняется путем выбора слоя в легенде, и перетаскивании его в новое положение при зажатой клавише мыши. На рисунках figure_map_legend_1 и легенда расположена в левой части окна ГИС-приложения. Изменение порядка слоёв влияет на их отрисовку — в нашем случае слой рек отрисован поверх слоя дорог, вместо того чтобы быть под ними.

Figure Map Symbology 1:

ГИС позволяет легко менять стиль — способ отображения информации.

Figure Map Legend 1:

Изменение порядка слоёв позволяет настраивать их отображение. Перед изменением порядка слоёв, реки отображались под дорогами.

Figure Map Legend 2:

Расширения для QGIS

Все расширения доступны через репозиторий GIS-Lab, необходимо, чтобы был включен показ экспериментальных расширений. Georeferencer — включен в QGIS (версии 1.5 и выше) и устанавливается вместе с ним.

Название	Описание
DPSimplify	Упрощение линий по методу Дугласа-Пойкера. (подробнее, обсудить)
Photo2shape	Создание точечного shape-файла по серии фотографий, имеющих информацию о привязке в EXIF. (подробнее, обсудить)
Statist	Расчет базовой статистики (мин./макс., среднее, стандартное отклонение и др.) по атрибутивным полям и построение графиков. (подробнее, обсудить)
JoinLines	Физическое объединение линейных объектов. (подробнее, обсудить)
Georeferencer-GDAL	Привязка растровых данных с помощью полиномиальных преобразований. (подробнее, обсудить)
RasterCalc	Арифметика растров с совпадающими экстентами (подробнее, обсудить)

Задачи, которые решает ГИС

ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод

Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой

В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование

Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения — в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты — в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление

В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ

При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация

Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта — это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Из чего состоят ГИС

Поговорим теперь о том, какую структуру имеет геоинформационная система. Она подразумевает несколько составляющих, являющихся ключевыми. Прежде всего речь идет об аппаратных средствах — компьютерных платформах разного типа, программном обеспечении (средствах ввода географических данных и оперирования ими, СУБД и пр.). Далее – собственно, о данных (в табличной или иной форме), полученных как самим пользователем, так и на коммерческой основе у специализированных поставщиков. Как уже упоминалось выше, данные могут быть интегрированы с полученными из других источников в целях упорядочивания и обмена информацией.

В качестве пользователей системы выступают и специалисты с техническим образованием, ведущие ее обслуживание и поддержку, и рядовые сотрудники, использующие электронные карты для решения множества повседневных проблем.

Общая характеристика ГИС и термины, связанные с этим понятием

Информационные географические системы предназначены для хранения, анализа, графической визуализации и сбора данных пространственного характера.

На географическом языке ГИС является инструментарием, позволяющим проводить анализ и поиск, заниматься редактированием цифровых карт и остальной вторичной информации о тех или иных объектах.

Широкое применение ГИС прослеживается в следующих сферах деятельности: метеорологии, геологии, экологии, картографии, экономике, муниципальном управлении, обороне и во многих других областях.

Существуют следующие виды ГИС по охвату территории:

• субконтинентальные;
• региональные;
• глобальные;
• национальные;
• субрегиональные;
• местные;
• локальные.

К данным, имеющим пространственный характер, относят такие данные, которые описывают местоположение объектов в пространстве. Информационные географические системы дают возможность запрашивать, удалять, добавлять, обновлять, анализировать и просматривать эти данные. Данные, имеющие пространственный характер, могут быть представлены в двух основных формах:

• в векторной графике;
• в виде растров.

Растровое изображение представляет собой двухмерный массив точек, в котором каждая точка имеет собственный цвет.

Процесс оформления «подложки» цифровой карты, как правило, следующий. Сначала используют растровую графику, а после, поверх нее, накладывают векторную геометрию. Положительным моментом использования растровых изображений является то, что можно использовать огромное их количество при минимальном объеме памяти.

Отрицательным моментом является то, что увеличивая растровое изображение, мы получаем заниженное его качество. Следует отметить, что различные масштабы используют растры различного территориального охвата и разрешения. Они постоянно сменяют друг друга при уменьшении и увеличении картинки.

Векторная графика отыгрывает значительную роль в терминологии ГИС. Она представляет собой геометрию, изображенную в виде наборов координат. Вне зависимости от масштабирования картинки, она имеет высокое качество изображения.

Векторные пространственные данные и их виды:

• Точечная геометрия

Как правило, точечная география представляет собой точку определенного цвета, изображенную на карте. Бывают случаи, когда ГИС заменяет точку иконкой, стрелкой, векторным символом или растровым рисунком.

Линейная геометрия

Использовать линейную геометрию целесообразно исключительно в тех случаях, когда важно продемонстрировать показатели площади и протяженности. Это относится к рекам, дорогам, территориальным границам и подобным объектам

Площадная геометрия

Использования площадной геометрии актуально, когда важными объектами на карте считаются абсолютно все.

Использование информационных географических систем позволяет ответить на следующие вопросы:

• Что конкретно расположено в таком-то конкретном месте?
• Где конкретно это расположено?
• Какие изменения произошли с такого-то периода?
• Какие существуют пространственные структуры?
• Что случится, если на карте появится новая дорога?

Немного истории

Первые попытки подобных разработок относятся к концу 50-х — началу 70-х годов прошлого столетия. Именно тогда нарабатывался первый практический опыт, создавались пилотные проекты и теоретические разработки. К этому же времени относится появление первых ЭВМ.

Десятилетием позже уже существовал ряд периферийных устройств. Был придуман графический дисплей и многое другое, затем стали появляться программные алгоритмы обработки информации. Постепенно были выработаны и утверждены способы осуществлять пространственный анализ и появились программы для работы с БД (базами данных).

Раздел 10.QGis. Растровые слои, пользовательские системы координат и основы геоанализа

Неделя 10. Раздел 10. Часть 1. QGis. Работа с растром. Работа с навигационными приборами. Пользовательские системы координат

• Параметры отображения растровых слоев.
• Виртуальный растр.
• Перепроецирование.
• Калькуляторы растра (встроенный, GDAL, SAGA).
•  Инструмент raster alignment (перепроецирование, обрезка, ресамплинг).
• Пример использования для полевых измерений.
• Постановка задачи исследовательской группе треком и точками, выгрузка в формат GPX.
• Импорт результата (трек, данные, формирование связанного слоя).
• Еще раз про ESPG.
• Пользовательские системы координат, формат PROJ.4.
•  Другие форматы описания СК (WKT, MapInfo).
• Пример определения границ объекта, изначально заданных в МСК-26.

Неделя 10. Раздел 10. Часть 2. Геообработка и анализ (обзор).

• Создание и редактирование векторных объектов.
• Выделение.
• Операции над векторными объектами.
• Преобразования векторных объектов.
• Операции над векторными слоями.
• Растеризация.
• Операции над растровыми слоями.
• Построение регулярных сеток.
• Векторизация.
• Растровый слой как ЦМР (пример – определение области прямой видимости).
• Комплексный пример – обработка данных нетмониторинга.

[править] 2. Определение и задачи веб-картографии

Для начала, определимся с тем, о чем пойдет речь. Веб-картография это область компьютерных технологий связанная с доставкой пространственных данных конечному пользователю. Мы используем приставку веб для удобства, в качестве среды могут использоваться любые сети, не только интернет. Безусловно, веб-картография является одним из направлений геоинформационных технологий в целом. Как это часто бывает при переводе и адаптации нового термина, прямого аналога устоявшемуся в России словосочетанию «веб-гис» в англоязычных источниках найти не удастся и читатель гораздо чаще встретит такой термин как web mapping services (картографические веб-сервисы). Но далее по тексту, для краткости и во избежание недоразумений, мы будем использовать термин веб-картография, так же, упоминая «данные» мы будем иметь в виду пространственные данные, то есть данные включающие координатную составляющую, привязывающую их к определенному месту на нашей планете. Основными задачи веб-картографии являются:

• Визуализация существующей информации – пространственное представление информации
• Облегчение работы с пространственной информацией в веб, поиск, прокладка маршрутов и другие услуги основанные на местоположении объектов (LBS – location based services).

[править] 6. Стандарты в веб-картографии

Во многом деятельность OGC в области геоинформационных систем можно сравнить с деятельностью W3C по стандартизации процессов и технологий во всемирной сети. Так, одной из первых разработок OGC были стандарты созданию GML – Geography Markup Language – языка группы XML, предназначенного для описания географически привязанных объектов. GML может быть использован и как язык моделирования, и как язык передачи пространственной информации в сети.

Спецификации OGC предлагают следующие типы картографических web-сервисов:

Однако, рост популярности картографических веб-сервисов порождает все большее число различных модицикаций существуюших языков и стандартов передачи пространственных данных. В связи с этим мы можем предположить, что уже в ближайщем будущем OGC придется включить в сферу своих интересов рассмотрение и «узаконивание» «доморощенных» языков программирования, форматов передачи данных и стандартов их описывающих.

Геокодирование

Геокодер Яндекс.Карт

• Есть бесплатный тариф, ограниченный 25 000 запросов в сутки.
• Кроме количества запросов также ограничен лицензионным соглашением — результаты кодирования нельзя сохранять и использовать без карты (но можно кешировать), их нужно отображать только на картах яндекса и только в рамках общедоступных сервисов (доступных всем или с открытой бесплатной регистрацией).
• Отлично работает в России, и прямой и обратный.

«Подсказки» от DaData

• У DaData есть сервис «подсказки», который позволяет реализовать автодополнение вводимых пользователем адресов.
• Он включает в себя функции геокодера (может выдавать координаты по адресу и адрес по координатам).
• Работает только в России, покрытие хромает — в миллионниках на уровне 75-95%, в среднем по России около 50%
• 10 000 запросов в сутки бесплатно, но оферта не позволяет его использовать полностью в автоматическом режиме — для автоматического геокодинга нужно использовать сервис «Стандартизация».

GraphHopper

• Бесплатно до 500 запросов в день.
• Много других интересных функций
• Работает с OpenStreetMaps

MapBox

• Слабая база улиц в России, по крайней мере в Казани те улицы на которых я тестирую — не смог найти
• Бесплатно до 100 000 запросов в месяц

OpenStreetMaps Nominatim

• OpenSource решение, которое вы можете развернуть на собственном сервере.
• Не пользовался, возможно в комментариях кто-то напишет о своем опыте использования

[править] 5. Основные игроки

Скорость внедрения ГИС в Интернет, как и развитие компьютерных технологий в целом, является достаточно бесконтрольным процессом. В тоже время, в геоинформационном сообществе существует целый ряд ключевых организаций — «законодателей мод» — которые различными методами регулируют деятельность разработчиков. Наиболее удобным способом такого «контроля» в современном сообществе становится внедрение и продвижение определенных стандартов, протоколов и RFC разработки. Разберемся, какие типы организаций присутствуют на рынке веб-гис, приведем краткую классификацию с примерами активных представителей:

Opensource группы: OSGeo – так же некоммерческая организация, созданная специально для поддержки проектов с открытым кодом, как правило поддерживающихся открытыми сообществами специалистов. Проекты проходящие инкубацию в OSGeo получают и место в совете организации. Президентом организации является Frank Warmerdam, создатель и один из основных авторов GDAL\OGR.

Профессиональные ГИС: ESRI – корпорация специализирующаяся на ГИС и до недавних пор не имевшая особенных конкурентов. Последнее время ESRI активно пытается усилить свои пошатнувшиеся позиции на рынке веб-картографии, развивая ArcGIS Server. Несмотря на наличие на рынке и других игроков (Mapinfo, Autodesk), фактически является стандартом де-факто.

Интернет-гиганты: Google и соратники – группа компаний (включающая так же Microsoft, Yahoo и Yandex) рассматривающая веб-картографические проекты как один из способов размещения рекламы и активно развивающих онлайн присутствие. В основном популярность достигается за счёт предоставления широкому кругу пользователей доступа к ранее недоступным базам данных космической съемки высокого разрешения и сопутствующих технологий маршрутизации и поиска.

Генераторы данных: поставщики пространственных данных, как правило коммерческих, например цифровой картографической информации (Navteq/Teleatlas), спутниковых данных (GeoEye, DigitalGlobe). Последнее время в этом секторе появляются и не коммерческие участники (OpenStreetMap).

Дальнейшее развитие

С 70-х гг. благодаря государственной поддержке появились экспериментальные проекты по применению ГИС в системах навигации и вывоза мусора, транспортном движении и пр.

С 80-х гг. начался период развития на коммерческой основе. Рынок наполнился массой программных средств, появились всевозможные приложения, количество пользователей, узнавших, что такое ГИС-технологии, превысило число специалистов-профессионалов.

В настоящий период, который можно назвать пользовательским, благодаря высокой конкуренции в среде производителей стало возможным создание тематических групп потребителей, проведение телеконференций, формирование единой мировой геоструктуры.

Применение геоинформационных систем сегодня

В настоящее время отечественный рынок геоинформационных систем уже вполне зрел и сформирован

Более того, ГИС давно и успешно используется и в государственных структурах, и в бизнесе как эффективный инструмент управления, и является важной частью любой информационной системы предприятия

Широкие возможности, которая содержит в себе профессиональная ГИС-платформа, позволяет организации – производственной, транспортной, торговой, – интегрировать процессы сбора, анализа и управления данными в бизнес-процесс предприятия.

Это тем более важно, что крупным организациям необходимо одновременно управлять большим числом рабочих операций (например, анализировать транспортные потоки, следить за состоянием объектов, отслеживать экологическую обстановку и т.д.), и при этом видеть картину целиком, осуществляя как стратегическое, так и оперативное планирование, зачастую в режиме реального времени. Для решения этих задач корпоративные ГИС предлагают самый широкий спектр инструментов: от приложений многомерного пространственно-временного анализа до мобильных решений, позволяющих собирать информацию практически мгновенно, и сразу же передавать ее на корпоративный сервер или в облако для быстрой обработки и анализа

Для решения этих задач корпоративные ГИС предлагают самый широкий спектр инструментов: от приложений многомерного пространственно-временного анализа до мобильных решений, позволяющих собирать информацию практически мгновенно, и сразу же передавать ее на корпоративный сервер или в облако для быстрой обработки и анализа.

Более того, ГИС-инструментарий позволяет создавать уникальные собственные карты, содержащие множество слоев данных и объектов, которые применяются в таких ключевых отраслях, как геологоразведка, энергетика, нефтегаз и промышленное производство. Но несомненно, что уже в ближайшее время появятся принципиально новые возможности использования геоинформационных систем на основе интеграции собственных ИТ и искусственного интеллекта.

Не случайно именно этим вопросам были посвящены ключевые доклады ГИС-специалистов со всего мира на конференции, организованной в этом году компанией Esri, мировым лидером и основоположником данного технологического направления.

ГИС платформы

Отмечалось, что сегодня в ряде западных проектов машинное обучение уже интегрировано в передовые ГИС-технологии – прежде всего, в таких сферах, как городское планирование, строительство и предупреждение ЧС.

Еще одна четко выраженная технологическая тенденция, оформившаяся в магистральное направление, – использование ГИС для работы практически с любыми типами данных, в любых форматах и на любых платформах: будь то интернет вещей, система раннего оповещения или обработка потоковых данных реального времени. Все это вместе делает ГИС профессиональным доступным инструментом управления бизнесом для людей, даже далеких от географии.

Скрипты для Arcview GIS

Инструкцию по подключению скриптов
к Arcview можно прочитать здесь.
Инструкцию по назначению подключенным скриптам кнопок — здесь.

Название	Описание	Версия
	Добавление в TOC тем Image Analisis’a. С shift’ом можно выбирать темы из списка.	1.2
	Добавление в TOC обычных Image тем. С shift’ом можно выбирать темы из списка.	1.2
	Расчет площади для спроектированных и не спроектированных тем	1.1
	Перевод таблицы DBF содержащей значения широты долготы в формате DDMMSS в формат DD.DDDDD	1.1
	Горячая связь с областью с возможности интерактивно задавать эту область	1.2
SetWorkingDirectory	Автоматическая установка рабочей папки (подробнее)	1
Subtract-Polygons	Прорезание пустых мест с превращением их в полигон (подробнее)	1
Remove-duplicates-attr	Поиск атрибутивных дубликатов (подробнее)	1

О перспективах ГИС

Новым этапом эволюции в развитии ГИС можно считать появление геодизайна, который требуется сейчас везде — от сферы землепользования и природной охраны до планирования новой инфраструктуры и объектов строительства, а также при обслуживании коммунальных сетей и т. д.

Будущее принадлежит ГИС-технологиям, содержащим начала искусственного интеллекта. Современные ГИС — это новейшие компьютерные разработки, основанные на применении космической и аэрофотосъемки, служащие для реализации глобальных государственных программ.

Сейчас ГИС-системы развиваются невиданными темпами и относятся к числу наиболее интересных в коммерческом плане решений. В России в наши дни их разработкой и внедрением заняты около 200 различных организаций, что позволяет говорить о конкуренции с западными производителями. Уже ни для кого не секрет, что за новыми технологиями — огромные перспективы, основанные на дальнейшем развитии компьютерных средств обработки информации.