Программное обеспечение географической информационной системы
Программа для географических данных
Программное обеспечение ГИС — это компьютерная программа для поддержки использования географической информационной системы , предоставляющая возможность создавать, хранить, управлять, запрашивать, анализировать и визуализировать географические данные , то есть данные, представляющие явления, для которых местоположение имеет важное значение. [1] [2] [3] Индустрия программного обеспечения ГИС охватывает широкий спектр коммерческих и открытых продуктов, которые предоставляют некоторые или все эти возможности в различных архитектурах информационных технологий . [4]
История
Самые ранние географические информационные системы, такие как Канадская географическая информационная система , запущенная в 1963 году, представляли собой заказные программы, разработанные специально для одной установки (обычно правительственного учреждения) на основе специально разработанных моделей данных. [5] В 1950-х и 1960-х годах академические исследователи во время количественной революции в географии начали писать компьютерные программы для выполнения пространственного анализа , особенно в Вашингтонском и Мичиганском университетах , но это были также заказные программы, которые редко были доступны другим потенциальным пользователям.
Типы тематических карт, которые может генерировать SYMAP.
Возможно, первым программным обеспечением общего назначения, которое предоставляло ряд функциональных возможностей ГИС, был Synagraphic Mapping Package (SYMAP), разработанный Говардом Т. Фишером и другими в зарождающейся Гарвардской лаборатории компьютерной графики и пространственного анализа, начиная с 1965 года. Хотя он и не был настоящей полнофункциональной программой ГИС, он включал некоторые базовые функции картографирования и анализа и был свободно доступен другим пользователям. [6] В течение 1970-х годов Гарвардская лаборатория продолжала разрабатывать и публиковать другие пакеты, ориентированные на автоматизацию определенных операций, такие как SYMVU (визуализация трехмерной поверхности), CALFORM (карты хороплетов), POLYVRT ( управление векторными топологическими данными), WHIRLPOOL ( наложение векторов ), GRID и IMGRID ( управление растровыми данными) и другие. В конце 1970-х годов несколько из этих модулей были объединены в Odyssey, одну из первых коммерческих полных программ ГИС, выпущенную в 1980 году.
В 1980-х годах также появилось большинство коммерческих программ ГИС, включая Esri ARC/INFO в 1982 году; [9] Intergraph IGDS в 1985 году и Mapping Display and Analysis System (MIDAS), первый продукт ГИС для персональных компьютеров MS-DOS , который позже стал MapInfo . [10] Они получили распространение в 1990-х годах с появлением более мощных персональных компьютеров, Microsoft Windows и переписью населения США 1990 года , которая повысила осведомленность о полезности географических данных для предприятий и других новых пользователей.
В конце 1990-х годов появилось несколько тенденций, которые значительно изменили экосистему программного обеспечения ГИС, приведя к настоящему моменту, выйдя за рамки традиционного полнофункционального настольного ГИС-приложения. Появление объектно-ориентированных языков программирования способствовало выпуску библиотек компонентов и интерфейсов прикладного программирования , как коммерческих, так и с открытым исходным кодом, которые инкапсулировали определенные функции ГИС, позволяя программистам встраивать пространственные возможности в свои собственные программы. Во-вторых, разработка пространственных расширений для объектно-реляционных систем управления базами данных (также как с открытым исходным кодом, так и коммерческих) создала новые возможности для хранения данных для традиционных ГИС, но также позволила интегрировать пространственные возможности в корпоративные информационные системы , включая бизнес-процессы, такие как человеческие ресурсы . В-третьих, с появлением Всемирной паутины веб-картографирование быстро стало одним из ее самых популярных приложений; это привело к разработке серверного программного обеспечения ГИС, которое могло выполнять те же функции, что и традиционная ГИС, но в месте, удаленном от клиента, которому требовался только установленный веб-браузер. Все это в совокупности способствовало появлению новых тенденций в программном обеспечении ГИС, таких как использование облачных вычислений , программного обеспечения как услуги (SAAS) и смартфонов для расширения доступности пространственных данных, обработки и визуализации.
Типы программного обеспечения
Ожидается, что программный компонент традиционной географической информационной системы будет предоставлять широкий спектр функций для обработки пространственных данных: [11] : 16
Пространственный анализ , включающий ряд инструментов обработки от базовых запросов до сложных алгоритмов, таких как сетевой анализ и векторное наложение
Современная экосистема программного обеспечения ГИС включает в себя множество продуктов, которые могут включать больше или меньше этих возможностей, собирать их в одной программе или распространять их через Интернет . Эти продукты можно сгруппировать в следующие широкие классы:
Настольное ГИС-приложение
Традиционная форма программного обеспечения ГИС, изначально разработанная для мэйнфреймов и мини-компьютеров, затем рабочих станций Unix , а теперь и персональных компьютеров . Настольная программа ГИС предоставляет полный набор возможностей, хотя некоторые программы модулируются с расширениями, которые можно приобрести отдельно.
Серверное ГИС-приложение
Программа, которая работает на удаленном сервере (обычно совместно с HTTP-сервером ), обрабатывает многие или все из вышеперечисленных функций, принимает запросы и доставляет результаты через World Wide Web . Таким образом, клиент обычно получает доступ к возможностям сервера, используя обычный веб-браузер. Раннее серверное программное обеспечение было сосредоточено специально на веб-картографировании , включая только фазу вывода, но текущая серверная ГИС предоставляет полный набор функций. Это серверное программное обеспечение лежит в основе современных облачных платформ, таких как ArcGIS Online.
Геопространственная библиотека
Программный компонент , который предоставляет сфокусированный набор документированных функций, которые разработчики программного обеспечения могут включать в свои собственные программы. В современных объектно-ориентированных языках программирования, таких как C# , JavaScript и Python , они обычно инкапсулируются в виде классов с документированным интерфейсом прикладного программирования (API).
Расширение существующей программы базы данных (чаще всего, объектно-реляционной системы управления базами данных), которая создает геометрический тип данных, позволяя хранить пространственные данные в столбце таблицы, но также предоставляет новые функции для языков запросов, таких как SQL , которые включают многие функции управления и анализа ГИС. Это позволяет менеджерам баз данных и программистам выполнять функции ГИС без традиционного программного обеспечения ГИС.
Разработка программного обеспечения ГИС с открытым исходным кодом имеет — с точки зрения истории программного обеспечения — давнюю традицию [12] с появлением первой системы в 1978 году. Существует множество систем, которые охватывают все секторы обработки геопространственных данных.
Настольная ГИС
Capaware rc1 0.1GRASS GIS 6.4gvSIG 1.0ИДРИСИ Тайга 16.05САГА-ГИС v. 2.0.3
В работе Steiniger and Bocher (2008/9) рассматриваются следующие проекты настольных ГИС с открытым исходным кодом: [13]
MapWindow GIS – Бесплатное настольное приложение с плагинами и библиотекой программиста [14]
QGIS (ранее известный как Quantum GIS) – мощные инструменты обработки картографических и геопространственных данных с обширной поддержкой подключаемых модулей
SAGA GIS (Система автоматизированного геонаучного анализа) – инструменты для моделирования окружающей среды, анализа рельефа и трехмерного картирования
uDig – API и исходный код (Java) доступны.
Помимо них, существуют и другие ГИС-инструменты с открытым исходным кодом:
Универсальные инструменты картографирования – набор инструментов командной строки для управления географическими и декартовыми наборами данных и создания иллюстраций PostScript.
FalconView – Картографическая система, созданная Georgia Tech Research Institute для Windows . Доступна бесплатная версия с открытым исходным кодом.
Kalypso – использует Java и GML3. Основное внимание уделяет численному моделированию в управлении водными ресурсами.
TerraView – обрабатывает векторные и растровые данные, хранящиеся в реляционной или геореляционной базе данных, т.е. является интерфейсом для TerraLib .
GWmodelS – бесплатное прикладное программное обеспечение, реализующее географически взвешенные (GW) модели для анализа геопространственных данных. [15]
Whitebox GAT – кроссплатформенное, бесплатное и открытое программное обеспечение ГИС.
Другие геопространственные инструменты
Помимо настольных ГИС, существует множество других типов программного обеспечения ГИС.
Веб-картографические серверы
GeoServer – написан на Java и использует GeoTools . Позволяет пользователям обмениваться и редактировать геопространственные данные.
MapGuide с открытым исходным кодом — работает на Linux или Windows, поддерживает веб-серверы Apache и IIS и имеет API (PHP, .NET, Java и JavaScript) для разработки приложений.
OpenLayers – библиотека AJAX с открытым исходным кодом для доступа к слоям географических данных всех видов, изначально разработанная и спонсируемая MetaCarta .
Leafletjs – библиотека JavaScript с открытым исходным кодом для создания интерактивных карт для мобильных устройств
Фреймворки и библиотеки разработки программного обеспечения (не веб)
pycsw – pycsw — это реализация сервера OGC CSW, написанная на Python.
Фреймворки и библиотеки/пакеты пространственного анализа
package:spmodel – бесплатный и открытый исходный код пакета R, реализующего структуру для подгонки и применения геостатистики (т. е. в основном моделей кригинга) к геопространственным точкам и пространственных регрессий (т. е. в основном пространственных авторегрессионных моделей) к геопространственным полигонам. [16]
package:GWmodel и package:gwverse – бесплатные пакеты R с открытым исходным кодом, реализующие две структуры для создания и применения географически взвешенных (GW) моделей, чтобы анализировать любые геопространственные данные. [17] [18]
Другие инструменты
Коммерческое или фирменное программное обеспечение ГИС
Настольная ГИС
Примечание: Почти все компании, перечисленные ниже, предлагают продукты Desktop GIS и WebMap Server. Некоторые, такие как Manifold Systems и Esri, также предлагают продукты Spatial DBMS .
Компании с высокой долей рынка
Autodesk – продукты, взаимодействующие с программным пакетом AutoCAD, включают Map 3D, Topobase и MapGuide .
Bentley Systems – продукты, взаимодействующие с программным пакетом MicroStation, включают Bentley Map и Bentley Map View.
ENVI – используется для анализа изображений, их использования и гиперспектрального анализа.
Intergraph – продукция включает G/Technology, GeoMedia , GeoMedia Professional, GeoMedia WebMap и дополнительные продукты для различных отраслей промышленности, а также фотограмметрию .
Conform by GameSim – ПО для слияния и визуализации высот, изображений, векторов и LiDAR. Слитую среду можно экспортировать в 3D-форматы для игр, моделирования и городского планирования. [19]
Dragon/ips – программное обеспечение для дистанционного зондирования с возможностями ГИС.
GeoTime – программное обеспечение для трехмерного визуального анализа и составления отчетов о данных местоположения с течением времени; также доступно расширение ArcGIS .
Global Mapper – программный пакет ГИС, в настоящее время разрабатываемый компанией Blue Marble Geographics ; изначально основанный на исходном коде USGS dlgv32.
Golden Software – ГИС и научное ПО. Продукты включают Surfer для построения сетки и контуров, MapViewer для тематического картирования и пространственного анализа, Strater для каротажа скважин и разрезов, Voxler для настоящего 3D-картирования скважин и компонентов, Didger для оцифровки и преобразования координат и Grapher для построения 2D- и 3D-графиков.
RegioGraph от GfK GeoMarketing – программное обеспечение ГИС для бизнес-планирования и анализа; компания также предоставляет совместимые карты и рыночные данные.
SuperMap Inc. – поставщик программного обеспечения ГИС, предлагающий настольные, компонентные, веб- и мобильные ГИС.
TerrSet (ранее IDRISI) – продукт ГИС и обработки изображений, разработанный Clark Labs в Университете Кларка .
TNTmips от MicroImages – система, объединяющая настольную ГИС, расширенную обработку изображений, 2D-3D-стереовизуализацию, настольную картографию, управление геопространственными базами данных и публикацию веб-карт.
twiGIS – веб-программное обеспечение ГИС/ФМ, разработанное Arkance Systems.
ГИС как услуга
Многие поставщики теперь начинают предлагать интернет -услуги, а также или вместо загружаемого программного обеспечения и/или данных. Они могут быть бесплатными, финансируемыми за счет рекламы или оплачиваемыми по подписке; они делятся на три области:
SaaS – Программное обеспечение как услуга: программное обеспечение, доступное как услуга в Интернете
ArcGIS Online – облачная версия ArcGIS от Esri [20]
CartoDB – онлайн-картографическая платформа, предлагающая облачную модель SaaS с открытым исходным кодом [21]
Google Earth#Google_Earth_Engine ; Предоставляет алгоритмы и большой каталог общедоступных данных для глобальных пространственных вычислений.
Планетарный компьютер; система Microsoft для глобальных пространственных вычислений.
Mapbox – Поставщик пользовательских онлайн-карт для веб-сайтов [22]
MapTiler – Поставщик настраиваемых карт для приложений и веб-сайтов. [23]
Equator Studios – Онлайн-картография (на основе LiDAR , контуров и ЦМР ) и сервис анализа ГИС с возможностями экспорта [24]
Mergin Maps – хранение и отслеживание изменений в геоданных с помощью облачной модели SaaS с открытым исходным кодом [25]
PaaS – платформа как услуга: геокодирование или услуги анализа/обработки
IBM Db2 – позволяет выполнять пространственные запросы и хранить большинство типов пространственных данных.
Informix – позволяет выполнять пространственные запросы и хранить большинство типов пространственных данных.
MySQL — позволяет выполнять пространственные запросы и хранить большинство типов пространственных данных.
Microsoft SQL Server (2008 и более поздние версии) — такие ГИС-продукты, как MapInfo и Cadcorp SIS, могут читать и редактировать эти данные, в то время как Esri и другие, как ожидается, смогут читать и редактировать эти данные в какой-то момент в будущем.
Oracle Spatial – Продукт позволяет пользователям выполнять географические операции и хранить типы пространственных данных в среде Oracle. Большинство коммерческих пакетов ГИС могут читать и редактировать пространственные данные, хранящиеся таким образом.
SAP HANA – позволяет пользователям хранить общие типы пространственных данных, загружать файлы пространственных данных с известными текстовыми (WKT) и известными двоичными (WKB) форматами и выполнять пространственную обработку с использованием SQL . Сертификация Open Geospatial Consortium (OGC) позволяет сторонним поставщикам программного обеспечения ГИС хранить и обрабатывать пространственные данные. Продукты ГИС, такие как ArcGIS от Esri, работают с HANA. [36]
Teradata – Teradata geospatial позволяет хранить и выполнять пространственный анализ данных на основе местоположения, которые хранятся с использованием собственных типов геопространственных данных в базе данных Teradata.
VMDS – хранилище данных с управлением версиями от Smallworld.
Crunchy Certified PostGIS — Открытый геопространственный консорциум сертифицировал дистрибутив PostgreSQL с открытым исходным кодом и PostGIS от Crunchy Data. [37] [38]
^ Кларк, К.С., 1986. Достижения в области географических информационных систем, компьютеров, окружающей среды и городских систем, т. 10, стр. 175–184.
^ Maliene V, Grigonis V, Palevičius V, Griffiths S (2011). «Географическая информационная система: старые принципы с новыми возможностями». Urban Design International . 16 (1): 1–6. doi :10.1057/udi.2010.25. S2CID 110827951.
^ Кент, Александр Джеймс; Вуякович, Питер (2020). Справочник Routledge по картографии и картографии . Абингдон: Routledge. ISBN9780367581046.
^ «Программное обеспечение ГИС - описание в 1000 словах», С. Штайнигер и Р. Вайбель.
^ Томлинсон, Роджер Ф.; Калкинс, Хью В.; Марбл, Дуэйн Ф. (1976). Компьютерная обработка географических данных . Издательство ЮНЕСКО.
^ Крисман, Николас Р. (2006). Картографирование неизвестного: как компьютерное картографирование в Гарварде стало ГИС . Esri Press. ISBN978-1-58948-118-3.
^ Гринли, Дэвид Д.; Гаптилл, Стивен К. (1998). «Развитие ГИС в Министерстве внутренних дел». В Форесман, Тимоти У. (ред.). История географических информационных систем: взгляды пионеров . Prentice Hall. стр. 191–198. ISBN0-13-862145-4.
^ Morehouse, Scott (1985). "ARC/INFO: геореляционная модель для пространственной информации" (PDF) . Труды Международного симпозиума по картографии и вычислениям (Auto-Carto VII) : 388.
^ Сюань, Чжу (2016). ГИС для экологических приложений: практический подход . ISBN9780415829069. OCLC 1020670155.
^ Болстад, Пол (2019). Основы ГИС: Первый текст по географическим информационным системам (6-е изд.). XanEdu. ISBN978-1-59399-552-2.
^ "История ГИС с открытым исходным кодом - Редакторы OSGeo Wiki" . Получено 21.03.2009 .
^ ab "Обзор текущих разработок бесплатных и открытых настольных ГИС - Steiniger and Bocher". Архивировано из оригинала 2012-11-12 . Получено 2011-08-05 .
^ Lu B, Hu Y, Yang D, Liu Y, Liao L, Yin Z, Xia T, Dong Z, Harris P, Brunsdon C, Comber L, Dong G (2023). "GWmodelS: программное обеспечение для географически взвешенных моделей". SoftwareX . 21 (101291): 1–7. Bibcode :2023SoftX..2101291L. doi : 10.1016/j.softx.2022.101291 .
^ Дюмель М., Хайэм М., Вер Хоэф Дж. (2023). "spmodel: Пространственное статистическое моделирование и прогнозирование в R". PLOS ONE . 18 (3). doi : 10.1371/journal.pone.0282524 .
^ Gollini I, Lu B, Charlton M, Brunsdon C, Harris P (2015). «GWmodel: пакет R для исследования пространственной неоднородности с использованием географически взвешенных моделей». Журнал статистического программного обеспечения . 63 (17): 1–50. arXiv : 1306.0413 . doi : 10.18637/jss.v063.i17 .
^ Комбер А., Каллаган М., Харрис П., Лу Б., Маллесон Н., Брансдон С. (2022). «gwverse: шаблон для новой универсальной географически взвешенной стойки». Географический анализ . 54 (3): 685–709. arXiv : 2109.14542 . дои : 10.1111/gean.12337 .
^ Смит, Сьюзен. «Conform for real time 3D visualization». www.giscafe.com . GISCafe . Получено 24 февраля 2015 г. .
