Инструментарий ГИС

Как только объем сведений, которые нужно хранить и быстро обрабатывать, достигает некоторого критического предела, люди придумывают информационные технологии. К их благородному семейству относятся и ГИС. Однако ГИС - это гораздо больше, чем карта, перенесенная на компьютер. Дело в том, что геоинформационные системы хранят информацию о реальном мире в виде наборов тематических слоев, которые объединены по географическому признаку. Поэтому технология ГИС интегрирует в себе операции для работы с базами данных, средствами визуализации и географического анализа.

Функциональные возможности

ГИС в целом выполняет пять основных процедур с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию. Географические изображения для использования в ГИС вводятся в векторном или растровом виде напрямую, если такие данные уже существуют в подходящем цифровом формате, либо с помощью дигитайзера или сканера. Каждый элемент или объект изображения имеет географическую привязку. Тем самым, любые свойства и характеристики этих объектов или элементов имеют ссылку на местоположение. Понятно, что число и разнообразие свойств и характеристик зависит только от потребностей пользователя (и возможностей, конечно). Любая информация, которая содержит прямые или косвенные сведения о названиях, географических или других координатах, ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ, номер участка, километровый столб и т. п., может быть включена в ГИС. Средства манипулирования представляют собой различные способы преобразования и выделения данных, например, приведение всей геоинформации к единому масштабу и проекции для удобства совместной обработки. Для хранения, структурирования и управления данными в ГИС чаще всего используются реляционные базы данных, где для связывания таблиц служат общие поля. Запрос и анализ в ГИС можно выполнять на разных уровнях сложности: от простых вопросов - где находится объект и каковы его свойства (для чего нужно просто щелкнуть по объекту мышью), до поисков по сложным шаблонам и сценариям вида "а что если...". Очень важны в ГИС средства анализа близости и наложения объектов. Первый инструмент связан с выделением буферных зон вокруг заданных объектов по комбинации различных параметров (например, выделить населенные пункты, расположенные не далее двух километров от автодороги). Второй - позволяет рассчитывать пересечение, объединение и другие сочетания двух и более площадных объектов, расположенных в разных тематических слоях (так называемые оверлейные операции).

width=350

Результаты наложения можно просто отображать на экране или же создавать новые объекты с любыми наборами атрибутивных характеристик. Развитые средства визуализации позволяют ГИС легко управлять отображением данных. Традиционным результатом обработки и анализа пространственных данных является карта, которая легко дополняется отчетными документами, трехмерными изображениями, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими мультимедийными средствами. Кроме базовых операций, ГИС имеет и специальные группы функций, реализующих задачи прокладки маршрута, поиска кратчайших расстояний, пространственной статистики и т. д.

По своему назначению ГИС можно разделить на четыре широкие функциональные категории: простые инструменты составления карт и диаграмм; настольные ГИС-пакеты широкого применения; полнофункциональные системы и ГИС уровня предприятия (корпоративные системы).

Как работает SDE

SDE представляет собой сервер пространственных данных, то есть продукт, предназначенный для расширения возможностей обыкновенной реляционной базы данных типа Oracle, Informix, Sybase, DB2 или SQL Server и позволяющий одновременно хранить в единой базе картографическую и атрибутивную информацию, делать пространственные запросы и первичный пространственный анализ. SDE не является в строгом смысле слова сервером, - он выступает в роли посредника между клиентом и реляционной СУБД (RDBMS, рис. 1).

Рис.

Задача SDE - принять запрос клиента на выдачу пространственных данных, перевести запрос на понятный серверу язык SQL, согласовать клиентскую и серверную задачу и передать клиенту результат выполнения запроса в требуемом виде. Взаимодействие клиента и сервера можно продемонстрировать на примере определения площади участков земли, попавших в некоторую буферную зону вокруг рек:

- клиент посылает запрос на сервер;

- сервер отправляет векторную карту выбранных рек клиенту;

- клиент строит буферные зоны вокруг выбранных рек и отправляет построенные зоны обратно на сервер;

- сервер выбирает участки, которые попадают в указанные границы или пересекаются буферными зонами, и отправляет их клиенту;

- клиент режет участки границами буферных зон, вычисляет площади образовавшихся участков и выводит полученные объекты на экран.

Рис.

Пространственные данные в SDE представляются слоями и хранятся как совокупность трех основных таблиц: бизнес-таблицы, в которой хранится атрибутивная информация, таблицы объектов, в которой размещаются координаты объектов, и таблицы пространственного индекса. Все они связаны по одному общему полю - идентификатору объекта. Каждый географический объект занимает одну строку в таблице: в бизнес-таблице - строка атрибутов, в таблице объектов - строка с координатами. Кроме того, в SDE существуют еще две вспомогательные таблицы - таблица слоев и таблица версии, в которых хранится информация о слоях. Пользователь напрямую может работать только с бизнес-таблицей. Все остальные таблицы являются служебными (см. рис. 2).

Рис.

Ключевой в SDE является таблица пространственного индекса, позволяющая оперировать огромным объемом пространственных данных, быстро выполнять запросы и оперативно отображать требуемую информацию. Пространственный индекс представляется в виде регулярной сетки, в ячейках которой хранятся идентификаторы объектов, попадающих внутрь ячеек. Он организован таким образом, что позволяет быстро и эффективно производить поиск объектов, удовлетворяющих заданным пространственным критериям, без просмотра всех объектов слоя.

Обеспечение целостности данных при одновременном редактировании несколькими пользователями одного и того же слоя достигается при помощи пространственных блокировок.

Инструменты составления диаграмм и картирования

Средства этой категории дешевы и просты в использовании, но по некоторым функциональным возможностям могут быть вполне сравнимы с более сложными системами. Типичными примерами являются инструменты для электронных таблиц, например, Microsoft Map в Excel и Lotus Maps. Эти приложения дают возможность легко использовать функции тематического картирования (то есть отображения на карте информации из своей базы данных). Например, стратегия для Microsoft Map состоит в том, чтобы сделать приложение настолько легким в использовании, чтобы менеджер или руководитель не больше чем за десять минут научился изготовлять нужные карты. Кроме того, эти инструменты доступны любому пользователю электронных таблиц MS Excel и Lotus Maps.

Другой начальный инструмент - BusinessMap. Он предназначен для пользователей, у которых мало опыта работы с географическими технологиями, и для тех, кому нужно больше, чем просто тематическое картирование. BusinessMap работает с данными наиболее популярных электронных таблиц и баз данных и поддерживает такие возможности анализа в области бизнеса и управления, как, например, пространственные запросы, управление отображаемым составом карты, определение и связывание адресов.

К этой же категории относятся и вьюеры - средства просмотра цифровых карт. В качестве примера можно привести Geomedia Viewer от Intergraph или бесплатный ArcExplorer, позволяющий просматривать и запрашивать данные ArcInfo, ArcView и SDE (об этих продуктах - далее), в том числе и через Интернет.

Существенным фактором, ограничивающим широкое проникновение ГИС в деловые задачи, является трудность изучения программного обеспечения. Дабы устранить это препятствие, разработаны инструменты картирования и составления диаграмм, дающие обычному пользователю PC мощные средства географического анализа.

Настольные системы

В первой половине 1990-х годов рост производства ГИС был в немалой степени обусловлен усиленным использованием приложений второй категории - настольных ГИС. Вообще, современная настольная геоинформационная система предлагает полный набор средств для анализа и управления данными. Такие продукты, как ArcView GIS, Maplnfo, GeoMedia, GeoGraph/GeoDraw, сравнимы по функциональным возможностям с передовыми СУБД и, кроме того, предоставляют средства для анализа, интеграции и отображения пространственных данных. Программный пакет типа ArcView можно также использовать, чтобы привязать новые данные (например, с помощью спутниковой системы позиционирования); импортировать данные из других источников (например, картографические данные или информацию из корпоративной базы данных) или выполнять комплексные статистические и модельные исследования.

ArcView предоставляет средства выбора, просмотра и редактирования разнообразных геоданных, создания макетов карт с легендами, графиками и диаграммами, оцифровки карт с помощью дигитайзера, связывания объектов карты с атрибутивной информацией в режиме hot links (с видеокамерами, архивами изображений, звуковыми файлами и т. д.), адресного геокодирования, распечатки картографических материалов. ArcView напрямую работает со многими форматами данных, обеспечивает доступ к стандартным СУБД (Oracle, Ingres, Sybase, Informix), читает файлы форматов DXF и DWG, а также включает следующие функции: вызова удаленных процедур RPC (Unix), связи с другими приложениями через протокол DDE (Windows), подключения приложений на Visual Basic. Существуют версии ArcView GIS для операционных систем Windows 95/98, Windows NT и Unix. Возможности системы могут быть расширены путем подключения дополнительных специализированных модулей: Spatial Analyst (пространственный анализ), Network Analyst (сетевой анализ), Image Analyst (работа с аэрокосмическими снимками) и др. Выпущен целый ряд стандартных приложений ArcView GIS для инженерных изысканий, взаимодействия с GPS, SAP R3, представления данных в Интернете и т. д.

Прежняя роль ГИС как специального инструмента сменилась гораздо более широким набором ролей в самых разных сферах. Это обусловлено как развитием функциональных возможностей и применимости настольных инструментов, так и появлением новых типов программного обеспечения геоинформационных систем.

Полнофункциональные системы

Полнофункциональные пакеты - старейший класс средств для построения ГИС. Они использовались главным образом специалистами по геоинформатике (на рабочих станциях под управлением Unix) и были инструментом поддержки уникальных и специализированных исследований. Другими словами, такие ГИС были "вещью в себе": ими могли пользоваться лишь квалифицированные специалисты, понимающие и в программном обеспечении, и в принципах географии, и в проблемах конкретной прикладной области.

Сегодня положение изменилось. Hi-end-инструменты теперь не просто олицетворяют мощь геоинформатики, но и находят все большее применение. Здесь и географические серверы в Интернете, и инструмент сложного многофакторного пространственного анализа, и подготовка высококачественных бумажных карт.

Например, ГИС ArcInfo содержит полный набор средств геопространственной обработки, включая сбор данных, их интеграцию, хранение, автоматическую обработку, редактирование, создание и поддержку топологии, пространственный анализ, связь с СУБД, визуализацию и создание твердых копий любой картографической информации. Система работает как на рабочих станциях RISC-Unix, так и под управлением Windows NT. В дополнение к базовому набору ArcInfo имеется ряд модулей, расширяющих возможности обработки геоданных в различных областях применения.

Корпоративные системы

Отличительная черта ГИС для предприятия - распределение ее по всей организации, причем таким образом, что большое число сотрудников имеют доступ к части или ко всем функциям системы посредством технологии клиент-сервер. ГИС в рамках предприятия может быть реализована с использованием серверов пространственных данных типа Spatial Database Engine (SDE), работающих с клиентскими приложениями типа настольных приложений ArcView и ArcInfo. Благодаря достижениям в области технологий клиент-сервер и управления базами данных, решения ГИС для всего предприятия позволяют оперировать огромными объемами географических и атрибутивных данных (базы данных с десятками миллионов записей уже вполне обычны) и поставлять эти данные куда угодно в локальной или глобальной сети. Кроме того, поскольку серверы пространственных данных обычно реализованы в стандартных реляционных СУБД, они переносятся в большинство сред баз данных. Тем самым, инструменты, подобные SDE, могут использоваться, чтобы строить быстродействующие приложения, включать сложные функции геообработки в прикладные программы; поставлять прикладные программы на целом ряде платформ программного обеспечения и оборудования; увеличивать доступность географических данных; и, что может быть наиболее важно, интегрировать географические данные в существующие корпоративные системы управления базами данных.

Уже целый ряд крупных организаций установили корпоративные ГИС. В целом, эти приложения наиболее важны для фирм, которые управляют большими инфраструктурами или инженерными коммуникациями (например, сетями энергоснабжения), занимаются природными ресурсами (так, ведущие нефтяные компании используют ГИС, чтобы управлять изысканиями, производством и распределением ресурсов) или работают в сфере транспорта и перевозок.

К примеру, железнодорожная компания может использовать ГИС, чтобы всегда иметь точную информацию о маршрутах и географическом положении подвижного состава, своевременно обновлять техническую и строительную информацию, обеспечивать работу групп обслуживания, иметь полное представление об эксплуатационных параметрах и затратах на каждом участке пути. С помощью ГИС могут решаться такие задачи, как ведение информации о владельцах, транспортируемом грузе, конфигурации и классификации сетей железных дорог. Система поможет следить за коммуникационными и диспетчерскими узлами, железнодорожными переездами, техническим состоянием путей, состоянием и расположением транзитных вагонов и локомотивов, местами работ бригад и материально-техническим снабжением перевозок.

Перспективы

Набор инструментов ГИС продолжает множиться. В последние годы, благодаря массовому использованию изображений, полученных со спутников, в ГИС появились средства для работы с подобной информацией. Качество и разрешение изображений неуклонно приближаются к тем, что ранее были доступны только военным.

width=400

Интернет стал второй крупной областью, где совершенствуются возможности и инструменты геоинформационных технологий: представление, распространение и использование в интерактивном режиме географической информации. Теперь многим пользователям ГИС совсем не нужно иметь универсальное программное средство на своем персональном компьютере, достаточно лишь простого интерфейса стандартного браузера, позволяющего решать типовые задачи. В качестве примера можно привести менеджера, у которого попросту нет времени изучать еще одно программное средство, или "человека с улицы", желающего получить справку в информационном киоске на вокзале (тут обучение просто невозможно) либо через Интернет с домашнего компьютера. Та же технология работает и в локальных сетях, - здесь она обеспечивает удаленный доступ к корпоративным базам пространственных данных из любой точки земного шара. Кстати, в этом случае можно использовать и собственные возможности ГИС-пакетов, инсталлированных либо на сервере, либо как клиенты Интернет/интранет-приложений.

Все большую популярность приобретает и новое направление - "конструкторы" (средства разработчика) для встраивания географических функций в приложения пользователя, такие как MapObjects компании ESRI или "ГеоКонструктор" Центра геоинформационных исследований Института географии РАН. Хотя многие ГИС-пакеты имеют собственные средства настройки и макроязыки для адаптации под конкретные приложения, далеко не всегда возможности программы нужны в полном объеме (зачем тогда за них платить?). Кроме того, средства разработчика позволяют создавать системы с уникальным набором характеристик. Если программирование вам не чуждо, вы можете сами создать приложение на основе облегченной версии MapObjects (www.dataplus.ru/win/DownLoad.htm) в среде Visual Basic, Delphi и им подобных. Делается это на удивление легко, благо приложено руководство, есть также и готовые данные, ну а что дальше - вам подскажет собственная фантазия.

ГИС ДЛЯ ГОРОДА

Цифровые данные и инструментарий

width=300

Общий объем данных о городе, накопленный БКТ, составляет около одного гигабайта. Основные заказчики и потребители информации - администрация города, городской комитет по земельным ресурсам, администрация порта, различные службы города и компании, обслуживающие коммуникации: электрические, газовые, телефонные сети. Службы и предприятия, которые владеют этими данными, постоянно их анализируют, обновляют и передают для некоммерческого использования другим муниципальным службам, что позволяет комплексно решать задачи развития и управления городской инфраструктурой. Основным методом получения цифровых пространственных данных является сканирование с твердых копий карт и планов масштабов от 1:500 до 1:200000, их координатная привязка, векторизация и обработка с помощью ГИС Arc/Info, ERDAS Imagine, ArcView GIS с модулями Image Analyst, Spatial Analyst, 3D Analyst, векторизаторов EasyTrace и MapEdit. Данные хранятся и обрабатываются СУБД Oracle 7.3, интерфейс с ГИС поддерживается через SDE (Spatial Database Engine). Для обновления быстро меняющейся географической информации БКТ проводит геодезическую съемку с использованием GPS-приемников фирмы Trimble и электронных тахеометров (высокоточный угломерный прибор). Используются и другие доступные источники данных, например, снимок со спутника Spot прибрежной зоны Новороссийска очень пригодился при создании карт порта города.

Земельный кадастр

width=400

При создании и ведении земельного кадастра, представляющего собой перечень публично декларируемых прав на недвижимость, БКТ добилась значительного экономического эффекта. После проведения тотальной инвентаризации территорий населенных пунктов, как земель, имеющих максимальную ценность, были учтены их технические характеристики (площадь, геометрия участка), а также права собственности на них. Затем произведен учет расположенных на земельном участке объектов: строений и элементов инженерной инфраструктуры, а также их экономических характеристик для оптимизации взимания платежей.

Для обеспечения процедур учета БКТ разработана информационная система ZeTa, последняя модификация которой работает в архитектуре клиент-сервер с СУБД Oracle 7.3 и ArcView GIS 3.0. В настоящее время ZeTa выступает в качестве ядра муниципальной информационной системы и может применяться как для учета объектов недвижимости (земельные участки, здания, сооружения, квартиры, помещения нежилого фонда и др.), так и для решения задач управления городским хозяйством.

Обеспечение безопасности

Одной из областей применения ГИС в современном городе являются органы обеспечения безопасности, такие как милиция, пожарная охрана, скорая помощь, службы экологической безопасности и т. д. Задачи, решаемые этими службами, сходны в том, что требуют оперативного контроля за ситуацией в городе, быстрого поиска и пространственного анализа территории, управления оперативными подразделениями.

width=400

БКТ разработало для таганрогского штаба УВД приложение, позволяющее решать задачи:

- ведения оперативного плана города (схема деления на поисковые квадраты, расположение патрулей и патрульных машин с указанием позывных);

- определения местоположения объекта или события;

- анализа места происшествия;

- оптимизации маршрутов перемещения патрульных и оперативных групп;

- анализа криминогенной ситуации за определенные периоды, издания тематических карт.

Приложение реализовано в среде ArcView с использованием модуля Network Analyst на языке Avenue в виде скриптов. В качестве базового слоя используется сеть дорог с полями для геокодирования. Общий объем геоданных в системе составляет около 300 Мбайт.

Выборы

width=400

Разработка ГИС "Избирательная система Таганрога" явилась ключевым этапом создания единой адресной системы города, работ по его административному и экономическому зонированию и проектированию всей территориальной инфраструктуры власти. Был создан адресный реестр и проведено геокодирование избирателей, сформированы требования к избирательным участками и определены их границы. Аналитическими средствами ГИС ArcInfo 7.2.1 и ArcView 3.1 разработано мобильное легко настраиваемое приложение, позволяющее рассчитать численность населения на заданной территории, изменить конфигурацию территории, подготовить и распечатать полный пакет документов для избирательной комиссии, а также провести анализ итогов голосования и представить тематические планы, отражающие интенсивность голосования.

Гидрографический комплекс

По договору с Морской администрацией порта Таганрог в целях обеспечения безопасности прохода судов по подходному каналу порта и ведения дноуглубительных работ БКТ разработала гидрографический программно-аппаратный комплекс. Комплекс позволяет вести промерные работы на акватории, координировать навигационные знаки, составлять отчетные документы (план промера с линиями равных глубин, профили), а также оценивать необходимый объем выемки грунта, анализировать ситуацию и планировать дноуглубительные работы.

width=318

В состав бортовой части комплекса входят: GPS-приемник фирмы Trimble, эхолот и портативный компьютер со специализированным программным обеспечением. Офисная часть комплекса включает программное обеспечение PathFinder Office фирмы Trimble и ArcView GIS с модулями расширения Spatial Analyst и 3D Analyst. Технические характеристики комплекса: среднеквадратическая ошибка определения координат - не хуже .2 м, точность измерения глубин - .5 cм, минимальный интервал записи данных - 1 с, выходной формат данных - ArcView, MapInfo, AutoCAD. Для повышения точности измерения координат используется дифференциальная коррекция, причем возможно два режима: постобработки и реального времени.

Издания

Потребность города в геопространственных данных достаточно велика, однако далеко не все организации могут позволить себе иметь комплексные дорогостоящие геоинформационные системы. Часть задач большинство потребителей может решать с помощью бумажных карт, тематических планов и информационно-справочных материалов. БКТ реализовало несколько издательских проектов с использованием всего наличного инструментария ГИС. За два года подготовлены "Атлас Таганрога", телефонный справочник (причем в среде ГИС был проведен полный цикл предпечатных работ - от получения данных и геокодирования абонентов по адресам до формирования печатных страниц в формате EPS), "Справочник внутригородских границ Таганрога" и "Альбом кадастровых карт Таганрога". Создан электронный телефонный справочник, содержащий картографические данные в виде растров нескольких масштабов. Каждый адрес абонента геокодирован средствами ArcView в точки на растре для обеспечения пространственных запросов. Программа реализована на Visual FoxPro 6.0 и Delphi 3.0.

Предложенные материалы демонстрируют далеко не полный перечень муниципальных задач, в которых использование ГИС-технологий дает устойчивые технические, экономические и политические результаты. Каждое успешное решение порождает новые проблемы и вопросы, что означает: области применения ГИС постоянно расширяются, открывая новые возможности для реализации идей и проектов.

Сегодня ситуация с ГИС в России напоминает ситуацию с СУБД несколько лет назад. Многие работающие с компьютером уже знакомы с реляционными базами данных, и это понятно, ведь традиционные СУБД - действительно универсальный инструмент. Но и ГИС в некотором смысле тоже являются системами управления базами данных, но данных пространственных. А поскольку пространственные данные прямо или косвенно используются практически во всех областях человеческой деятельности, то и ГИС получают все более широкое применение. Поэтому, надеюсь, у нас, как и на Западе, настольные ГИС-пакеты появятся на прилавках любого магазина программного обеспечения.

Владимир Андрианов - старший эксперт компании "Дата+".