Введення до гіс. Загальні уявлення про геоінформаційні системи і технології

 

1.1. Що таке ГІС? Види і підсистеми ГІС

 

В найбільш загальному розумінні, географічні інформаційні системи або геоінформаційні системи, або ГІС це інструменти для обробки просторової інформації. Ця інформація в основному прив'язана до відповідної частини земної поверхні і використовується для управління нею [1, с.8].

Фактично всі фахівці з освітньо-кваліфікаційним рівнем (ОКР) магістр, які працюють в системі управління водними і земельними ресурсами, в різній мірі використовують ГІС. Ось деякі з них:

В найбільш загальному вигляді ГІС – це інформаційна система для збору, накопичення, аналізу, відображення і номанітних даних, які мають просторову складову.

ГІС вміщує дані про просторові об'єкти у формі їх цифрових уявлень (векторних, растрових та ін.), включає відповідний задачам набір функціональних операцій геоінформаційних технологій, підтримується програмним, апаратним, інформаційним, нормативно- правовим, кадровим і організаційним забезпеченням.

По територіальному охвату розрізняються ГІС: глобальні або планетарні (global GIS), субконтинентальні ГІС (клімат, погода, сейсмічні умови тощо); національні ГІС (екологічний стан, характеристики родючості ґрунтів тощо), які часто мають статус державних; ГІС регіональні (regional GIS) (наприклад, характеристики ландшафтів Сухого Степу України: грунти, тренованість, гідрогеолого-меліоративні умови, клімат, районування сільськогосподарських культур тощо); субрегіональні ГІС та локальні або місцеві ГІС (local GIS).

ГІС розрізняються предметною областю інформаційного моделювання, наприклад міські ГІС, або муніципальні ГІС (urban GIS), природоохоронні ГІС (environmental GIS) тощо. Широке розповсюдження одержали земельні інформаційні системи.

Проблемна орієнтація ГІС визначається вирішуємими в ній задачами (науковими і прикладними), серед них інвентаризація ресурсів (в тому числі земельний кадастр, житловий фонд тощо), аналіз, оцінка, моніторинг, управління і планування, підтримка прийняття управлінських рішень. Можливо тільки пофантазувати, якщо б впродовж минулого століття в нашій Батьківщині управлінські рішення спиралися б на наукові обґрунтування, в тому числі і ГІС, скількох неоптимальних управлінських рішень і широкомасштабних "експериментів" "державних мужів" можливо було запобігти – від суцільного виснаження природних ресурсів, поголовної колективізації, розпашки всієї цілини до розповсюдження кукурудзи в північних районах і широкомасштабної боротьби з виноградниками.

Інтегровані ГІС,ІГІС (integrated GIS, IGIS) суміщують функціональні можливості ГІС і системи цифрової обробки зображень (дані дистанційного зондування) у єдиному інтегрованому середовищі:

Просторово-часові ГІС (spatio-temporal GIS) оперують просторово-часовими даними (наприклад, процеси підтоплення зрошуваних ландшафтів мають розповсюдження підйому рівня підгрунтових вод в просторі і в часі).

Реалізація впровадження проектів ГІС (GIS project), створення ГІС в широкому розумінні, включає етапи:

- перед проектних досліджень (feasibility study), в т.ч. вивчення вимог користувачів (user requirements) та функціональних можливостей програмних засобів ГІС, які використовуються, техніко-економічне обґрунтування, оцінку співвідношення "витрати"/"прибуток" (costs/benefits);

- системне проектування ГІС (GIS designing), включаючи стадію пілот-проекта (pilot-project), розробку ГІС (GIS development); її тестування на невеликому територіальному фрагменті, або тестовій ділянці (test area), прототипування, або створення дослідного зразка (prototype);

- впровадження (реалізація) ГІС (GIS implementation); експлуатацію і використання об'єкта.

Наука – геоінформатика вивчає наукові, технічні, технологічні і прикладні аспекти проектування, створення та використання ГІС. Про більш детальне описання ГІС можливо подивитися на htt: //www. dataplus. ru/ Industries/ 100 GIS/ index. asp, http: /www. gis. com/ whatisgis /index. html.

Визначення терміну ГІС змінюється в залежності від мети роботи фахівця ГІС (політичної, економічної, екологічної, гідрометеорологічної, географічної, гідромеліоративної, землевпорядкувальної, дослідницької тощо) (табл. 1.1.).

Ці визначення ГІС дуже важливі і корисні в період навчання, але для досвідченого користувача ГІС деталізація визначень вже не має такого значення.

Девід Райнд (David Rhind 1988)[3] дав таке визначення ГІС: "ГІС – це комп'ютерна система для збору, перевірки, інтеграції і аналізу інформації, яка відноситься до земної поверхні" [Rhind 1988].

Це визначення дуже важливе для користувача ГІС, тому його слід розглянути більш детально [1].

 

 

Таблиця 1.1. Приклади синонімічних назв ГІС (GIS) та їх джерела (Майкл Н. Де Мерс, 1999)

Термін	Джерело інформації
Географічна інформаційна система (Geographic information System)	Американська термінологія
Географічна інформаційна система (Geographical information System)	Європейська термінологія
Геоматіка (Geomatigue)	Канадська термінологія
Геореляційна інформаційна система (Georelational information System)	Технічна термінологія
Інформаційна система по природним ресурсам (Natural resources information System)	Дисциплінарна термінологія
Інформаційна система по геології або наукам про Землю (Geosclence or geological System)	Дисциплінарна термінологія
Просторова інформаційна система (Spatial information System)	Негеографічний термін
Система аналіза просторових даних (Spatial data analysis System)	Термінологія на основі того, що робить система

 

По – перше, воно вказує, що ГІС має справу із земною поверхнею. Хоча це не є абсолютно необхідною умовою, абсолютна більшість використань ГІС мають справу з ділянками цієї поверхні.

По – друге, твердження, що ГІС використовують для збору, перевірки, інтеграції і аналіза інформації, свідчить про велику кількість груп операцій, необхідних для будь-якої геоінформаційної системи [1].

При використанні ГІС в управлінні водними і земельними ресурсами важливим є підхід, на який акцентує увагу Майкл Н. Де Мерс (Michael N. De Mers, 1999).

Він обрав таке визначення: "ГІС – набір підсистем, які її утворюють" [1, стор. 10]. У відповідності з цим ГІС мають слідуючи чотири підсистеми:

1 - Підсистема збору даних, яка збирає і проводить попередню обробку даних із різних джерел. Ця підсистема в основному відповідає за перетворення різних типів просторових даних (наприклад, від ізоліній топографічної карти до моделі рельєфу ГІС) [1].

2 - Підсистема зберігання та вибірки даних, яка організує просторові дані з метою їх вибірки, оновлення та редагування.

3 - Підсистема маніпулювання даними і аналіза, яка виконує різні задачі на підставі цих даних, групує і розділяє їх, встановлює параметри і обмеження, виконує моделюючі функції [1, стор. 11].

4 - Підсистема виводу, яка відображає всю базу даних або її частину в табличній, діаграмній або картографічній формі.

 

1.2. Де і яким чином використовують ГІС?

 

Основними галузями сучасного використання ГІС є:

- управління на всіх рівнях (від державного до окремих сільськогосподарських ділянок);

- землевпорядкування і земельний кадастр;

- гідрометеослужба;

- геодезія, картографія і географія;

- сільське господарство, агрономія, землеробство, рослинництво, захист рослин, агрохімія і ґрунтознавство;

- водне господарство і гідромеліорація, лісове господарство;

- екологія;

- природокористування;

- дистанційне зондування земної поверхні;

- інженерні комунікації;

- нафта і газ;

- транспорт;

- поштова служба;

- освіта;

- бізнес, банківські послуги, туризм, служба безпеки...

 

1.2.1. ГІС в управлінні галузями економіки і бізнесі

 

Якщо Ваша робота пов'язана з управлінням галузями економіки, менеджментом організацій, бізнесом, то ГІС використовують для:

- аналіза та відслідковування поточного стану і тенденцій змін області ринку, яка цікавить користувача;

- для вибору місця нових філій (відділів) фірми або банку, складів, виробничих потужностей;

- з метою підтримки прийняття управлінських рішень;

- для вибору найкоротших або безпечних маршрутів перевезень товарів і шляхів розподілу продукції;

- в процесі аналізу ризиків матеріальних вкладень і урегулювання конфліктів та непорозумінь;

- для соціально-економічних і демографічних досліджень, визначення прив'язаного до території попиту на продукцію;

- при створенні і географічній прив'язці баз даних про землю і домоволодіння тощо.

 

 

1.2.2. ГІС в управлінні підприємствами АПК

 

Уявіть собі схему роботи всього крупного сільськогосподарського або водогосподарського підприємства (з відображенням цехів, потоків сировини, продукції тощо) з означенням інженерних споруд, мереж (водозабір, системи водопостачання, каналізації, теплопостачання, телефонного зв'язку...), джерел і користувачів енергії (електроенергії, палива, мазуту, дров – всіх вимірюваних ресурсів).

ГІС має можливість зв'язувати всі елементи складних виробничих систем (підприємств) з будь-яким іншим елементом або системою. На комп'ютері після нажиму на "мишу" (називається "point and click") схема оживає, там видний весь виробничий процес. "Click" розкриває схему вглиб ієрархії і т.д. Можливостей багато.

Оптимальне управління і вирішення конфліктів, запобігання аварій зводиться до мінімуму операцій, підвищення надійності, зменшення кількості персоналу. Контролюються всі процеси (http: //www.dataplus.ru/Industries/100_GIS/Why_GIS.htm).

 

1.2.3. ГІС в інженерно-технічній службі і попередженні аварій

 

ГІС допомагає розраховувати дебіт, кількість та місцерозположення будь-яких свердловин (артезіанських, дренажних, спостерігаючих, нафтових, газових), базуючись на результатах буріння, допомагають розраховувати оптимальний шлях трубопроводів.

ГІС використовують для попередження аварій, високовольтних електромереж, нафто-газопроводів, водопровідних і каналізаційних мереж (наприклад, управління всією водопровідною мережею м. Стокгольм).

ГІС дає оптимальну схему дій у випадку аварій, а в основному ГІС попереджує технічні аварії.

1.2.4. ГІС в системі агроконсалтингу і маркетингових послуг

 

Аналізуючи можливості ГІС, ми бачимо неосяжні перспективи використання ГІС в системі сільськогосподарського дорадництва, агроконсалтингу, різноманітних аналітичних і наукових послуг.

Використання ГІС допомагає переорієнтувати головну мету маркетингових послуг із задовільненням змінюючихся потреб населення, орієнтуючись на оперативне реагування на потреби кожної людини. Досягаємий при такому підході принципово новий рівень сервісу одержав найменування персоніфікованого маркетингу (personal marketing).

Наше сьогодення – час інформації. Інформація управляє світом, а ГІС – це технологія управління інформацією!

 

1.3. Основні терміни і визначення ГІС

 

Антропогенний вплив (антропогенний прес) – будь – який вид господарської діяльності людини по відношенню до природи.

База даних, БД (data base) – сукупність даних, організованих по відповідним правилам, які установлюють загальні принципи описання, зберігання та маніпулювання даними.

База знань, БЗ (knowledge base) – сукупність знань про деяку предметну область на основі яких формуються наукові, методологічні та технологічні підходи до тих чи інших завдань.

Банки даних -інформаційні процеси централізованого зберігання тематичних даних, вміщують зафіксовані значення безпосередніх характеристик (вимірів) стану та умов функціонування різних компонентів природно – агромеліоративних геосистем.

Водогосподарський моніторинг (ВГМ) -підсистема моніторингу меліорованих земель (ММЗ), яка охоплює спостереженнями складові природно – технічних геосистем, що характеризують фактори зовнішнього і, насамперед, техногенного впливу на геосередовище, технічний стан зрошувальних систем і водогосподарських об’єктів, стан водних ресурсів, забруднення та якість поверхневих, поливних і дренажно – скидних вод, рентабельність водогосподарських об’єктів, меліоративних заходів і технологій.

Водні ресурси -запаси поверхневих і підземних вод території, що розглядається.

Геосистема -матеріальний об’єкт (або клас полігеокомпонентних систем), що складається із взаємозумовлених і взаємопов’язаних у розташуванні природних та техногенних компонентів, які розвиваються у часі як частина цілого. Основними підсистемами природно – технічних геосистем є геологічне середовище, атмосфера, поверхнева геосфера, біота, об’єкти техносфери.

Геологічне середовище (геосередовище) -Багатокомпонентна динамічна система, що охоплює верхню частину літосфери, яка знаходиться під техногенним впливом; основними її складовими (компонентами) є гірські породи, ґрунти, підземні води, рельєф та геоморфологічна будова, форми прояву геологічних, інженерно – геологічних і ґрунтоутворювальних процесів.

Геоінформаційна система -комп’ютерна система для збору, перевірки, інтеграції та аналізу просторово – часової інформації, що являє собою набір підсистем збору, збереження та вибірки даних, маніпулювання даними та аналізу; виведення та представлення просторово - координованої інформації (картографічної та атрибутивної у вигляді таблиць, діаграм, моделей тощо).

Геоінформаційно технологія (ГІС - технологія) -комп’ютерна технологія вводу, збереження, обробки і подання просторово–розподілених даних.

Довкілля (навколишнє середовище) -середовище існування та виробничої діяльності людини; система взаємопов’язаних природних та антропогенних об’єктів.

Еколого – меліоративна стійкість земель щодо зрошення -здатність геологічного середовища протистояти впливу зрошувальних меліорацій.

Еколого – меліоративний моніторинг (ЕММ) -підсистема моніторингу меліорованих земель (ММЗ), яка охоплює спостереженнями ті компоненти природно – меліоративних геосистем, що характеризують геологічне середовище як літогенну основу ландшафтів і агроландшафтів, еколого – меліоративний стан земель та їхню стійкість, стан забруднення ґрунтів і підземних вод, геоекологічниі і ґрунтоутворювальні процеси.

Еколого – меліоративний стан (ЕМС) земель -комплексна характеристика геологічного середовища, що зазнало впливу зрошувальних меліорацій, на певні проміжки часу.

Зрошення земель -штучне зволоження ґрунту для підвищення його родючості.

Зрошувані землі -землі, на яких є постійна або тимчасова зрошувальна мережа, пов’язана з джерелом зрошення, водні ресурси якого забезпечують полив цих земель.

Зрошувальна система -гідромеліоративна система для зрошення земель.

Землі сільськогосподарського призначення -землі, надані для виробництва сільськогосподарської продукції, здійснення сільськогосподарської науково – дослідної та навчальної діяльності, розміщення відповідної виробничої інфраструктури або призначені для цих цілей.

Ієрархія геосистем -структурна та функціональна супідрядність геосистем різного рівня організації, яка базується на картографічного виявленні їхньої просторової мозаїки.

Інформаційне забезпечення -сукупність масивів інформації (бази знань, баз даних, банків даних та інших структурних наборів даних), систем кодування, класифікації, оцінювання і відповідної документації, що обслуговує систему обробки даних (поряд з програмним та апаратним забезпеченням).

Інформаційно – довідкова інформація -загальнодовідкова інформація щодо об’єктів дослідження, умов ведення контролю у різних природно – меліоративних регіонах, (позиційні коди, каталоги, кадастри тощо), організована за тематичними модулями.

Ландшафт – однорідна за умовами розвитку природна система (природний територіальний комплекс будь – якого рангу).

Моніторинг земель -це система спостереження за станом земель з метою своєчасного виявлення змін, їх оцінки, відвернення та ліквідації наслідків негативних процесів.

Моніторинг меліорованих земель (ММЗ) -бгатоцільова спостережно – інформаційна система, що включає одержання та обробку даних про стан меліорованих і прилеглих до них земель, водогосподарських об’єктів і діючих технологій зрошуваного землеробства; оцінку і прогноз негативних процесів, обґрунтування заходів для її попередження та ліквідації.

Меліорація -галузь народного господарства, яка охоплює питання поліпшення природних умов земель, що використовуються.

Меліоровані землі -землі меліоративного фонду, на яких здійснюється меліорація.

Охорона природи -система заходів, спрямована на підтримку раціональної взаємодії між діяльністю людини і навколишнього природного середовища, що забезпечує зберігання і поновлення природних багатств, раціональне використання природних ресурсів, попереджає прямий і побічний вплив результатів діяльності суспільства на природу і здоров’я людей.

Охорона водних ресурсів -заходи, спрямовані на збереження кількості і якості поверхневих і підземних вод.

Піксел (pixel, pel) – синонім пел, піксель – скорочено від англ. “pic t ure element ” (“елемент зображення”) – елемент зображення, найменша із його складових, яка одержується в результаті дискретизації зображення (розбивки на далі неделимі елементи – дикрети, ячейки або точки растру), які характеризуються прямоугольною формою та розмірами, визначаючими просторове розрішення зображення.

Поверхнева гідросфера -гідрографічна мережа постійних або тимчасових водотоків, річок, озер, боліт тощо на будь – який території, що формує умови поверхневого стоку, систему базисів ерозії, зон живлення та розвантаження підземних вод тощо.

Показники еколого – меліоративного стану (ЕМС) земель -параметри та їхні критерії, що характеризують еколого - меліоративний стан (ЕМС) земель (гідрогеологічні, інженерно – геологічні, грунтово – меліоративні, забруднення ґрунтів і вод).

GPS – Global Positioning System – Глобальна система позиціонування.

 

Питання для самоперевірки до розділу 1

1. Що таке ГІС? Чому у ГІС так багато визначень?

2. Навести приклади визначень і пояснити в чому є різниця.

3. Наскільки важливе місце мають визначення ГІС в роботі початківця і досвідченого фахівця ГІС?

4. Які Ви знаєте підсистеми ГІС? Назвіть ряд прикладів.

5. Де і яким чином використовують ГІС?

6. Що було движочою силою при створені перших ГІС? Чому їх так важко створювати на початковому етапі?

7. Які основні аналітичні можливості присутні у сучасних ГІС?

8. Хто, в основному, використовує ГІС? В чому причина популярності ГІС?

9. Чому знання і практичні вміння користуватися ГІС так важливі саме для фахівців ОКХ "Магістр", а не "Бакалавр"?

10. В яких галузях економіки використовують ГІС?

11. Назвіть основні складові частини ГІС. Який компонент ГІС є найбільш важливим?

12. Назвіть основні види ГІС.

13. Чим визначається проблемна орієнтація ГІС?

14. Чому для користувачів ГІС у всіх галузях науки, техніки, економіки обов'язкове знання професійної англійської мови для ГІС?

15. Які питання вивчає наука геоінформатика?

16. Що таке database?