Тенденции. Что изменилось? Вопрос представляет собой попытку определить временные изменения на определенной площади (например, как меняется картина загрязнения района на протяжении года).
Структуры. Какие пространственные структуры (распределения) существуют? Построение площадных объектов на основе дискретных точек.
Моделирование. Что, если..? Это вопрос ставят, если хотят, например, выяснить, как повлияет изменение или добавление фактора на общую структуру, например что произойдет, если к существующей сети добавить новую дорогу или если токсичное вещество просочится в грунтовые воды.
2. Классификация и структура ГИС
С точки зрения геоинформатики классификацию всех информационных систем можно представить в виде таксономического дерева:
Схема 1. Классификация информационных систем
По территориальному охвату различаются глобальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС и локальные ГИС. ГИС различаются по предметной области информационного моделирования, например: муниципальные ГИС, природоохранные ГИС, инженерные и т. п. 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.
По другому признаку классификации в настоящее время в применяются 2 типа ГИС: топологические и нетопологические. Первые способны обрабатывать информацию, связанную с категориями соседства, включенности (различают правую и левую стороны объектов), вторые нет. Пример первого типа линейка продуктов ArcGIS компании ESRI и подобные ей системы. Пример второго типа ГИС Mapinfo. Оба программных продукта также могут иллюстрировать другую дифференцировку по области применения. Первые в основном решают задачи аналитического и мониторингового характера, поскольку обладают большим числом интегрированных функций, возможностью автоматизации процедур и даже создания экспертно-аналитических автоматизированных систем. Подобные Mapinfo программы более приспособлены для подготовки картографических материалов.
Логически и организационно во всех ГИС можно выделить несколько конструктивных подсистем, выполняющих определенные функции.
Схема 2. Функциональная структура ГИС
Система ввода представляет собой аппаратные средства (клавиатура, мышь, дигитайзер, сканер, приемник GPS и т. д.) и интерфейс ввода данных. Затем координатные и атрибутивные данные хранятся в соответствующих базах данных и по запросу систем управления и обработки и визуализации используются для осуществления всевозможных (математических, логических, аналитических, статистических) операций. Система вывода позволяет выводить результаты этих операций на монитор, печатать, передавать их через Интернет или сохранять для использования в других программах.
В историческом аспекте нарастание функциональных возможностей ГИС происходило по линии от инвентаризации через анализ и моделирование к управлению.
Основные требования, предъявляемые к ГИС:
1. Охват всех сторон информационного, программного, технического обеспечения, проявляющихся в процессе эксплуатации системы, возможность обработки массивов неоднородной пространственно-координированной информации и способность поддерживать базы данных для широкого класса географических объектов.
2. Комплексный характер системы. Основное преимущество геоинформационных технологий по сравнению с традиционными методиками состоит в возможностях совместного анализа больших групп параметров в их взаимной связи, что очень важно для изучения сложных географических явлений и процессов.
3. Открытость системы, обеспечивающая легкость модификаций и адаптации к новым условиям для поддержания ее на современном уровне не только разработчиками, но и пользователями.
3. Применение ГИС
ГИС используются для решения разнообразных задач, основные из которых можно сгруппировать следующим образом:
обеспечение деятельности органов законодательной и исполнительной власти, силовых структур;
обеспечение комплексного и отраслевого кадастра (земельного, водного, лесного, недвижимости и т. д.);
поиск и рациональное использование природных ресурсов;
территориальное, отраслевое, муниципальное планирование и управление;
природопользование, мониторинг экологических ситуаций, оценка техногенных воздействий, экологическая экспертиза;
научные исследования и образование;
контроль условий жизни населения, здравоохранение и рекреация;
картографирование (комплексное и отраслевое);
использование в торговле и маркетинге, бизнесе.
Широко применяется ГИС в узковедомственных, потребительских сферах: транспорт, ценообразование, туризм, торговля, справочные услуги.
Таким образом, ГИС по назначениям и функциям является многоцелевой и ориентирована на обеспечение географическими и другими данными широкого круга организаций и граждан.
К потенциальным потребителям геоинформации относятся:
структуры власти;
планирующие органы;
инспекции и контрольные органы;
юридические и правоохранительные органы;
природоохранные организации;
архитектурно-планировочные и земельные службы города;
организации, эксплуатирующие коммуникации или транспорт;
научно-исследовательские и проектные институты;
строительные организации;
торговые организации;
частные предприниматели и лица.
3.1. Применение ГИС в природоохранной деятельности
В ходе экологического мониторинга осуществляется сбор и совместная обработка данных, относящихся к различным природным средам, моделирование и анализ экологических процессов и тенденций их развития, использование данных при принятии решений по управлению качеством окружающей среды. Таким образом, в природоохранной деятельности ГИС являются мощным средством поддержки принятия управленческих решений.
Результат экологического исследования, как правило, представляет оперативные данные следующих типов: констатирующие (измеренные или смоделированные параметры состояния экологической обстановки в момент обследования), оценочные (результаты обработки измерений и получение на этой основе оценок экологической ситуации), прогнозные (прогнозирующие развитие обстановки на заданный период времени).
Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в значительной степени представлены ареальные геообъекты (например, области с одинаковой концентрацией загрязняющего вещества).
Сегодня предлагается целый ряд специализированных программ для профессиональной деятельности в области охраны окружающей среды, реализующих элементы технологии ГИС. Они могут предназначаться для оценки загрязнений и их последствий и привязки результатов к конкретной местности. Основой таких программ является математическая модель процесса (например, метод расчета загрязнения атмосферы, базирующийся на гидродинамической модели пограничных слоев атмосферы и методе Монте-Карло для оценки турбулентной диффузии примесей, на основе суперпозиции полей загрязнений возможен расчет суммарного загрязнения и риска токсических эффектов и т. п.). На основе данных об источнике загрязнения (геопространственная привязка, объем, скорость выброса и др.), климатических характеристик можно рассчитать поле загрязнения, и результаты будут визуализироваться с учетом пространственных данных. Применение стандартизованного метода расчета позволяет использовать полученные результаты для принятия управленческих решений.
Для крупных территориальных образований система экомониторинга на основе геоинформационных систем имеет сложную многоступенчатую структуру. Обычно ее можно разделить на два основных уровня.
Нижний уровень системы включает:
федеральные, городские и ведомственные подсистемы специализированных мониторингов (мониторинг атмосферы, поверхностных вод, здоровья населения и т. п.);
территориальные центры сбора и обработки данных.
Эти подсистемы обеспечивают сбор информации о состоянии окружающей среды и первичный анализ информации.
Верхний уровень системы экомониторинга составляет информационно-аналитический центр. В его задачи входят:
оперативная оценка экологической ситуации в регионе;
расчет интегральных оценок экологической ситуации;
прогноз развития экологической ситуации;
подготовка проектов управляющих воздействий и оценка последствий принимаемых решений.
Интеграция данных в единую систему происходит двумя путями: на основе конвертирования форматов данных в единый для всей системы формат;
на основе выбора единого программного обеспечения ГИС. Используемый программный комплекс, кроме стандартных для ГИС, должен выполнять следующие функции:
формирование и ведение баз экологической информации по территориям, предприятиям, средам (воздух, вода, почва);
ведение базы данных нормативно-законодательных документов в области экологии;
ведение базы данных нормативов содержания загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве и продуктах питания;
ведение базы данных приборов экологического контроля.
4. Модели данных в ГИС
4.1 Общие принципы построения моделей данных в ГИС
ГИС использует разнообразные данные об объектах, характеристиках земной поверхности, информацию о формах и связях между объектами, различные описательные сведения. Используя приемы генерализации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, легко поддающемуся анализу и управлению.
Абстракция отвлечение в процессе познания от несущественных сторон, свойств, связей предмета или явления с целью выделения их существенных, закономерных признаков.
Генерализация процесс отбора и обобщения содержания при составлении географических карт.
Генерализация проявляется:
в отборе объектов (т. е. в ограничении содержания карты необходимыми объектами и в исключении прочих);
в продуманном упрощении контуров;
в обобщении количественных характеристик, состоящем в укрупнении ступеней;
в обобщении качественных характеристик, состоящем в упрощении классификаций изображаемых явлений;
в замене отдельных объектов их собирательными обозначениями.
В существующих ГИС используются различные способы для описания реальности посредством модели данных. Модель пространственных данных способ цифрового описания пространственных объектов, тип структуры пространственных данных. Наиболее универсальные и употребительные из них: векторное (топологическое или нетопологическое) и растровое представление.