Геоинформационные системы


ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ПРАВОСУДИЯ





Д. А. Ловцов
А. М. Черных




ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ


Учебное пособие









Москва
2012

УДК 681.518
ББК 32
   Г ...

А в т о р ы:

Д. А. Ловцов, зав. кафедрой информационного права, информатики и математики Российской академии правосудия, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации

А.  М. Черных, доцент кафедры информационного права, информатики и математики Российской академии правосудия, канд. техн. наук

Р е ц е н з е н т ы:

    В.    А. Дементьев, д-р техн. наук, профессор (Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева Российской академии наук),

В. А. Мишин, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой правовой информатики, информационного права и естественно-научных дисциплин Центрального филиала Российской академии правосудия

            Ловцов Д. А., Черных А. М.

            Геоинформационные системы: Учебное пособие. — М.: РАП, 2012..
            ISBN ...

           В учебном пособии рассмотрены и определены теоретические основы современной геоинформатики, методы и алгоритмы переработки пространственных данных, архитектура прикладных компьютерных геоинформаци-онных систем.
           Цель пособия — дать общее представление о современном состоянии геоинформационных систем, средств, ресурсов и технологий, разнообразии разрабатываемых подходов к информатизации профессиональной деятельности на основе внедрения новых и традиционных геоинформационных технологий.
           Предназначено для обучающихся по экономическим направлениям подготовки. Может быть полезным для специалистов в области информатики, телематики и картографии.

                                  © Д. А. Ловцов, 2012
                                  © А. М. Черных, 2012
ISBN ...                          © Российская академия правосудия, 2012

            Оглавление












Введение................................................4
Глава 1. Архитектура и назначение геоинформационных систем.................................................10
  1.1. Основные термины и определения в области геоинформатики.......................................11
  1.2. Назначение, классификация и функциональные возможности ГИС......................................17
Глава 2. Интеграция систем обработки пространственных данных на базе ГИС.....................................28
  2.1. ГИС и дистанционное зондирование................29
  2.2. ГИС и глобальные системы позиционирования.......39
  2.3. ГИС и глобальная сеть Интернет..................55
Глава 3. Компьютерная настольная ГИС «Карта»...........67
  3.1. Структура программного обеспечения ГИС..........69
  3.2. Электронные карты...............................80
  3.3. Редактор классификатора........................120
  3.4. Структура прикладных баз данных................122
  3.5. Подключение в проект внешней таблицы БД........137
Глава 4. Интеллектуализация и поддержка принятия решений в геоинформационных системах..................144
  4.1. Технологии искусственного интеллекта...........145
  4.2. Экспертные системы.............................146
  4.3. Нейронные сети и ГИС...........................152
  4.4. Системы поддержки принятия решений.............163
  4.5 Прикладное программное обеспечение ГИС..........171
Литература............................................183
Приложение. Задания для самостоятельной работы........186

3

            Введение












     В настоящее время использование географических информационных систем (геоинформационных систем) становится неотъемлемой составляющей общественно-производственной деятельности в различных прикладных областях, поскольку большинство информационных данных имеют пространственную привязку. Для Российской Федерации, обладающей большой территорией с развитой инфраструктурой, значительными людскими и материальными ресурсами, решение задач интенсификации развития государства напрямую связано с использованием информационных систем оперирующих пространственными данными.
     Термин «географическая информационная система» появился в 1999 г. англоязычной литературе и использовался в двух вариантах: geographic information system и geographical information system, также он получил сокращенное наименование (аббревиатуру) — GIS. С 2000 г. термин стал широко использоваться в российском научном лексиконе как «географическая информационная система» и в сокращённом виде — «геоинформационная система» (ГИС) [1, 4, 5, 27, 29].
     Следы первых геоинформационных систем берут своё начало с создания в 1957 г. профессором Массачусетского технологического института Миллером DTM¹ — цифровой модели местности (ЦММ). Она представляла собой цифровую модель рельефа и предназначалась для проектирования автодорог. В дальнейшем ЦММ стали широко применяться в других областях и, в частности, в оборонных ведомствах США и СССР, для составления карт полёта крылатых и межконтинентальных ракет и в соответствующих картографических службах, но эти работы носили закрытый характер. В СССР первые попытки

¹ DTM — Digital Terrain Model.

4

создания ЦММ были предприняты в 60-х гг. XX в., но уже в начале 70-х и позднее были запущены спутники, обеспечившие глобальное покрытие земного шара стереосъёмкой для создания карт высокого качества [4, 27].
     История создания первой открытой ГИС принадлежит Министерству лесного хозяйства и сельского развития Канады. В начале 1960-х гг. в этой стране, одной из имеющих наибольшие в мире запасы земель и природных ресурсов, пришли к необходимости создания информационной системы для классификации и нанесения на карту земельных ресурсов. Создание прообраза современной геоинформа-ционной системы было поручено Отделению информационных систем регионального планирования, финансируемому федеральным правительством. Первой ГИС принято считать «Канадскую географическую информационную систему», созданную в 1962 г. Аланом Томлинсоном [27].
     В истории развития ГИС прослеживаются несколько периодов.
     На начальный период (поздние 50-е гг. и до начала 70-х гг. XX в.) приходятся первые крупные проекты и теоретические работы. В области космонавтики это запуск первого искусственного спутника Земли и первые пилотируемые полёты в космос. В 50-х гг. XX в.а появляются электронные вычислительные машины (ЭВМ) и, как следствие, в последующем создаются системы оцифровывания, плоттеры (графопостроители), графические дисплеи и другие периферийные устройства.
     На этот период приходится создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и на бумаге с помощью плоттеров; создание формальных методов пространственного анализа и программных средств управления базами данных. Разработка технических проектов и научных изысканий в этот период связана с исследованиями, проведенными университетами, академическими учреждениями, оборонными ведомствами и картографическими службами различных государств [3, 5, 27, 29].
     Период с начала 70-х гг. и до начала 80-х гг. XX в. считается периодом государственных инициатив. Развитие географических информационных систем характеризуется государственной поддержкой, стимулированием развития экспериментальных работ в данной области, основанных на использовании баз прикладных данных.
     Для периода коммерческого развития, пришедшегося на начало 80-х годов XX в. и продолжающегося до настоящего времени, характерны: широкий рынок разнообразных программных средств, разви

5

тие настольных географических информационных систем, расширение области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появление сетевых приложений. Появление значительного числа непрофессиональных пользователей дало толчок в развитии систем, поддерживающих индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, и открывало путь системам, поддерживающим корпоративные и распределенные базы пространственных данных [1, 3, 5].
     Для «пользовательского» периода — поздние 80-е XX в. и до настоящего времени актуальна — повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий и услуг. Это даёт преимущества пользователям географических информационных систем, выражающиеся в доступности и «открытости» программных средств, что позволяет использовать и даже модифицировать программные продукты под решаемые пользователем задачи. Способствует появлению пользовательских ассоциаций, конференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп. Возросшая потребность в пространственных данных вызвала начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры [3, 5, 27].
     Сегодня существует все более растущее понимание необходимости широкомасштабного использования ГИС при анализе пространственных данных в широком диапазоне традиционно «ручных» задач. В качестве эффективного инструмента для своих операций геоинфор-мационные системы желают иметь:
     -      государственные органы и службы — для принятия рациональных решений по управлению экономическим развитием отдельных регионов и страны в целом;
     -      службы экстренного реагирования и чрезвычайных ситуаций — для вычисления оптимальных маршрутов с целью достижения скорейшей реакции на вызов, прогнозирование последствий техногенных и природных катастроф;
     -      компании сотовой телефонной связи — для достижения лучшего обслуживания клиентов мобильной связи с целью расположения приемо-передающих станций так, чтобы избежать конфликтов между соседними станциями, но при этом обеспечивать наибольшую площадь покрытия и прямую видимость для распространения сигнала;
     -      местные органы власти — для создания планов роста и развития городов и для изменения зонирования территории, реагируя на растущее демографическое давление;

6

     -      службы лесоохраны и лесозаготовители — для актуальной описи древесных ресурсов;
     -      военные — для планирования боевых действий и организации передвижения войск;
     -      транспортные компании — для организации эффективного управления инфраструктурой дорог, трубопроводов, линий передач, обеспечения потребностей территориально распределённых потребителей ресурсов;
     -      компании по торговле недвижимостью — для подбора свободных жилищ на основе критериев заказчика, таких как близость школ, тип соседского окружения или доступ к транспорту и скоростным магистралям;
     -      полиция — для сбора информации с целью анализа перемещения и образа действия подозреваемых в совершении преступлений (серийных убийств, угонов автомобилей).
     -      бизнесмены — для маркетинга товаров и создания списков рассылки на основе выбранных пространственных критериев;
     -      службы экологии и мониторинга — для моделирования условий загрязнения окружающей среды и составления климатических прогнозов и др.
     Спектр возможных применений географических информационных систем практически неограничен, а число и разнообразие пользователей растут со временем по экспоненте [4, 5, 22, 27, 28].
     В федеральном законе «Об информации, информационных технологиях и о защите информации»² в п. 1 ст. 12 говорится: «Государственное регулирование в сфере применения информационных технологий предусматривает развитие информационных систем различного назначения для обеспечения граждан (физических лиц), организаций, государственных органов и органов местного самоуправления информацией, а также обеспечение взаимодействия таких систем», в п. 2 говорится: «Государственные органы, органы местного самоуправления в соответствии со своими полномочиями:
     -      участвуют в разработке и реализации целевых программ применения информационных технологий;
     -      создают информационные системы и обеспечивают доступ к содержащейся в них информации на русском языке и государствен

² Федеральный закон от 27 июля 2006 г. № 149-ФЗ «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» // Российская газета. 2006. 29 июл.

7

ном языке соответствующей республики в составе Российской Федерации».
     Предлагаемое учебное пособие соответствует программе учебной дисциплины «Геоинформационные системы», читаемой в Российской академии правосудия с 2010 г. для экономических специальностей и базирующейся на знаниях, полученных студентами в результате изучения учебных дисциплин «Информационные системы», «Математика и информатика», «Информационные технологии в профессиональной деятельности».
     В учебном пособии рассмотрены и определены теоретические основы современной геоинформатики, методы и алгоритмы переработки пространственных данных, архитектура прикладных компьютерных ГИС, основные методики использования ГИС в профессиональной деятельности (в практике кадастрового учёта, ведения муниципальных ГИС, социального анализа правонарушений и др.). В приложении приведены рекомендуемые варианты заданий для самостоятельной работы и вопросы для самоконтроля.
     Содержание пособия определяется результатами научных исследований, проводимых с 2004 г. в рамках Межвузовского постоянно действующего научного семинара «Информатизация правосудия» кафедры информационного права, информатики и математики Российской академии правосудия. Учебные темы и вопросы излагаются в последовательности, апробированной в учебном процессе и ориентированной на творческое усвоение учебного материала.
     Цель настоящего пособия — дать общее представление о современном состоянии геоинформационных систем, средств, ресурсов и технологий, разнообразии разрабатываемых подходов к информатизации профессиональной деятельности на основе внедрения новых и традиционных геоинформационных технологий, а также помочь студентам, обучающимся на экономических специальностях (060800.62 — «Менеджмент», 080502.65 — Экономика и управление предприятием», 080114 — «Земельно-имущественные отношения» и др.), сосредоточить свое внимание на наиболее важных теоретических и практических вопросах в области ГИС в условиях рыночной экономики, а студентам, обучающимся на правовых специальностях (030900.62 — «Юриспруденция», 030912 — «Право и организация социального обеспечения», 030503 — «Правоведение» и др.), получить общее представление о современных информационных средствах глобального контроля и управления.

8

     Пособие предназначено для студентов, обучающихся по экономическим специальностям, может быть полезным для студентов, обучающимся по юридическим специальностям, а также для магистрантов, аспирантов, преподавателей, научных работников, специалистов в области информатики, телематики и картографии, изучающих информационное право, современные информационно-правовые технологии, автоматизированные системы юридического назначения.

     Авторы признательны рецензентам доктору технических наук, профессору Валерию Александровичу Дементьеву (Институт точной механики и вычислительной техники имени С. А. Лебедева Российской академии наук), доктору экономических наук, профессору Валерию Александровичу Чевычелову, Российской академии правосудия, зав. информатики, информационного права и естественно-научных дисциплин Центрального филиала, доценту Александру Владимировичу Мишину за доброжелательные и конструктивные рекомендации.

Глава 1



            Архитектура и назначение геоинформационных систем








     Географические информационные системы (ГИС) — интегрированные информационные системы, предназначенные для решения различных задач науки и производства на основе использования пространственно-локализованных данных об объектах и явлениях природы и общества в геоинформационных технологиях [1, 4, 5, 27, 29].
     Исторически привлечение в ГИС данных и знаний складывалась в определённой последовательности, вначале появились банки данных и базы данных, далее ГИС выделились в отдельную группу, затем появились системы, основанные на знаниях, — интеллектуальные системы.
     ГИС отличает от иных информационных систем способность хранить и обрабатывать пространственные или географические данные. Слово «географические» в понятии «географические информационные системы» имеет смысл не обозначения науки, а характеристики информационной системы, оперирующей «пространственными (пространственно-координированными, пространственно-распределёнными) данными» [4].
     В одном ряду с географическими науками стоят геологические, геофизические и другие науки, связанные с пространственной информацией, но экономические, юридические, военные и др. оперируют пространственной информацией и решают специфические задачи, имеющие пространственную привязку. Следовательно, географические информационные системы позволяют объединить в единую систему пространственную информацию и информацию других типов для решения различных задач с пространственными данными.

10

        1.1. Основные термины и определения в области геоинформатики

     В основе геоинформационных технологий, предназначенных для работы с любыми данными, имеющими пространственно-временную привязку, лежит цифровая модель местности. Разработанные в этих областях методы и алгоритмы работы с информацией позволяют хорошо описывать, структурировать, хранить и обрабатывать пространственную геодезическую и картографическую информацию, решать прикладные задачи по формально-логической обработке пространственной информации (данных).
     Развитие систем управления базами данных (СУБД) обеспечило рациональные методы хранения всех видов информации и реальное время доступа к данным, в том числе и возможности распределенного хранения; позволило связать непространственные данные, атрибутивную информацию с пространственными данными цифровой модели местности. Это обеспечило эффективное развитие цифровой картографии.
     Первые общедоступные полнофункциональные ГИС, способные работать на персональных компьютерах³, появились в 1994 г. С этого времени началось развитие ГИС как массовой технологии [4, 5, 27, 29, 35].
     Основу продуктивности ГИС составляют:
     -      наглядность пространственного представления результатов анализа баз данных;
     -      мощные возможности интеграции данных, в том числе возможности совместного исследования факторов атрибутивной информации, которые имеют пространственное пересечение;
     -      возможности изменения пространственной информации по результатам совместного анализа баз атрибутивных и пространственных данных.
     ГИС для экономистов и специалистов в области управления — это инструмент, позволяющий производить анализ данных, имеющих пространственную привязку пространственных данных и иной информации (географической, экономической, статистической и др.), прогнозировать процессы в эргасистемах и принимать рациональные управленческие решения.
     В 2000 г. лидерами стран G8 — большой «восьмёрки» (Великобритания, Германия, Италия, Канада, Россия, США, Франция, Япо

³ Программные продукты компании ESRI (ArcView 2.0 и др.).

11