Географическая информационная система ( ГИС ) состоит из интегрированного компьютерного оборудования и программного обеспечения , которые хранят, управляют, анализируют , редактируют, выводят и визуализируют географические данные . [1] [2] Большая часть этого часто происходит в пространственной базе данных , однако это не обязательно для соответствия определению ГИС. [1] В более широком смысле можно рассматривать такую систему как включающую людей-пользователей и вспомогательный персонал, процедуры и рабочие процессы, совокупность знаний о соответствующих концепциях и методах, а также институциональные организации.
Географические информационные системы во множественном числе , также сокращенно ГИС, являются наиболее распространенным термином для отрасли и профессии, связанной с этими системами. Это примерно синоним геоинформатики . Академическая дисциплина, изучающая эти системы и лежащие в их основе географические принципы, также может быть сокращена как ГИС, но более распространено однозначное слово «ГИС-наука» . [3] ГИС-науки часто считаются субдисциплиной географии в рамках отрасли технической географии .
Географические информационные системы используются во многих технологиях, процессах, методах и методах. Они применяются к различным операциям и многочисленным приложениям, которые относятся к: проектированию, планированию, менеджменту, транспорту/логистике, страхованию, телекоммуникациям и бизнесу. [4] По этой причине ГИС и приложения для определения местоположения лежат в основе сервисов с поддержкой определения местоположения, которые полагаются на географический анализ и визуализацию.
ГИС предоставляет возможность связывать ранее несвязанную информацию посредством использования местоположения в качестве «ключевой индексной переменной». Места и размеры, обнаруженные в пространстве-времени Земли , можно записывать с помощью даты и времени возникновения, а также координат x, y и z ; представляющие долготу ( x ), широту ( y ) и высоту ( z ). Все наземные, пространственно-временные ссылки на местоположение и протяженность должны быть связаны друг с другом и, в конечном итоге, с «реальным» физическим местоположением или протяженностью. Эта ключевая характеристика ГИС начала открывать новые возможности для научных исследований и исследований.
Хотя цифровая ГИС возникла в середине 1960-х годов, когда Роджер Томлинсон впервые придумал фразу «географическая информационная система», [5] многие географические концепции и методы, которые автоматизируют ГИС, появились десятилетия назад.
Один из первых известных случаев использования пространственного анализа произошел в области эпидемиологии в « Соглашении по маршу и последствиям холеры в Париже и департаменте Сены » (1832 г.). [6] Французский географ и картограф Шарль Пике создал карту, на которой обозначены сорок восемь округов Парижа , используя полутоновые цветовые градиенты, чтобы обеспечить визуальное представление количества зарегистрированных смертей от холеры на каждые 1000 жителей.
В 1854 году Джон Сноу , эпидемиолог и врач, смог определить источник вспышки холеры в Лондоне с помощью пространственного анализа. Сноу добился этого, нанеся на карту места жительства каждого пострадавшего, а также близлежащие источники воды. Как только эти точки были отмечены, он смог определить источник воды в кластере, который стал причиной вспышки. Это было одно из первых успешных применений географической методологии для определения источника вспышки в эпидемиологии. Хотя основные элементы топографии и темы существовали ранее в картографии , карта Сноу была уникальной благодаря использованию им картографических методов не только для изображения, но и для анализа групп географически зависимых явлений.
В начале 20-го века была развита фотоцинкография , которая позволила разделить карты на слои, например, один слой для растительности, а другой для воды. Это особенно использовалось для печати контуров — рисование их было трудоемкой задачей, но размещение их на отдельном слое означало, что над ними можно было работать без других слоев, что могло сбить с толку рисовальщика . Первоначально эта работа была нарисована на стеклянных пластинах, но позже была представлена пластиковая пленка , преимущества которой, среди прочего, заключались в том, что она легче, требует меньше места для хранения и менее хрупкая. Когда все слои были готовы, их объединили в одно изображение с помощью большой технологической камеры. Когда появилась цветная печать, идея слоев также использовалась для создания отдельных печатных форм для каждого цвета. Хотя использование слоев намного позже стало одной из типичных особенностей современной ГИС, только что описанный фотографический процесс сам по себе не считается ГИС, поскольку карты были просто изображениями без базы данных, с которой можно было бы их связать.
На заре ГИС можно отметить два дополнительных события: публикацию Яна МакХарга « Дизайн с природой» [7] и ее метод наложения карт, а также введение уличной сети в систему DIME (двойное независимое кодирование карт) Бюро переписи населения США. [8]
Первая публикация, подробно описывающая использование компьютеров для облегчения картографии, была написана Уолдо Тоблером в 1959 году . [9] Дальнейшее развитие компьютерного оборудования , стимулированное исследованиями ядерного оружия , привело к более широкому распространению компьютерных «картографических» приложений общего назначения к началу 1960-х годов. [10]
В 1960 году в Оттаве, Онтарио , Канада, Федеральным департаментом лесного хозяйства и развития сельских районов была разработана первая в мире действующая ГИС . Разработанная Роджером Томлинсоном , она называлась Канадской географической информационной системой (CGIS) и использовалась для хранения, анализа и обработки данных, собранных для Канадской земельной инвентаризации , попытки определить потенциал земель в сельских районах Канады путем картирования информации о почвах . сельское хозяйство, отдых, дикая природа, водоплавающие птицы , лесное хозяйство и землепользование в масштабе 1:50 000. Для обеспечения возможности анализа также был добавлен коэффициент рейтинговой классификации. [11] [12]
CGIS была улучшением по сравнению с приложениями «компьютерного картографирования», поскольку предоставляла возможности хранения данных, наложения, измерения и оцифровки / сканирования. Он поддерживал национальную систему координат, охватывающую весь континент, кодировал линии как дуги с истинно встроенной топологией и сохранял атрибуты и информацию о местоположении в отдельных файлах. В результате Томлинсон стал известен как «отец ГИС», особенно за использование наложений для продвижения пространственного анализа конвергентных географических данных. [13] CGIS просуществовала до 1990-х годов и создала большую цифровую базу данных о земельных ресурсах в Канаде. Он был разработан как система на базе мэйнфрейма для поддержки планирования и управления федеральными и провинциальными ресурсами. Его сильной стороной был общеконтинентальный анализ сложных наборов данных . CGIS никогда не была доступна на коммерческой основе.
В 1964 году Говард Т. Фишер основал Лабораторию компьютерной графики и пространственного анализа в Гарвардской высшей школе дизайна (LCGSA 1965–1991), где был разработан ряд важных теоретических концепций обработки пространственных данных, которые к 1970-м годам распространились оригинальные программные коды и системы, такие как SYMAP, GRID и ODYSSEY, для университетов, исследовательских центров и корпораций по всему миру. [14] Эти программы были первыми примерами программного обеспечения ГИС общего назначения, которое не было разработано для конкретной установки, и оказали большое влияние на будущее коммерческое программное обеспечение, такое как Esri ARC/INFO , выпущенное в 1983 году.
К концу 1970-х годов две общедоступные ГИС-системы ( MOSS и GRASS GIS ) находились в разработке, а к началу 1980-х годов M&S Computing (позже Intergraph ) вместе с Bentley Systems Incorporated для платформы САПР , Институтом исследований экологических систем ( ESRI ), CARIS (Компьютерная информационная система ресурсов) и ERDAS (Система анализа данных о ресурсах Земли) появились как коммерческие поставщики программного обеспечения ГИС, успешно включив многие функции CGIS, сочетая подход первого поколения к разделению пространственной и атрибутивной информации с подходом второго поколения. организации данных атрибутов в структуры базы данных. [15]
В 1986 году для операционной системы DOS была выпущена система отображения и анализа карт (MIDAS), первый настольный ГИС-продукт [16] . В 1990 году он был переименован в MapInfo для Windows, когда был перенесен на платформу Microsoft Windows . Это положило начало процессу перехода ГИС из исследовательского отдела в бизнес-среду.
К концу 20-го века быстрый рост различных систем был консолидирован и стандартизирован на относительно небольшом количестве платформ, и пользователи начали изучать возможность просмотра данных ГИС через Интернет , требуя формата данных и стандартов передачи. В последнее время растет число бесплатных ГИС-пакетов с открытым исходным кодом, которые работают на различных операционных системах и могут быть настроены для выполнения конкретных задач. Основной тенденцией XXI века стала интеграция возможностей ГИС с другими информационными технологиями и инфраструктурой Интернета , такими как реляционные базы данных , облачные вычисления , программное обеспечение как услуга (SAAS) и мобильные вычисления . [17]
Необходимо проводить различие между единой географической информационной системой , которая представляет собой единую установку программного обеспечения и данных для конкретного использования, а также связанное с ней оборудование, персонал и учреждения (например, ГИС для конкретного городского правительства); и программное обеспечение ГИС , прикладная программа общего назначения , предназначенная для использования во многих отдельных географических информационных системах в различных областях применения. [18] : 16 Начиная с конца 1970-х годов, многие пакеты программного обеспечения были созданы специально для приложений ГИС. ArcGIS от Esri , включающая ArcGIS Pro и устаревшее программное обеспечение ArcMap , в настоящее время доминирует на рынке ГИС. Другие примеры ГИС включают Autodesk и MapInfo Professional , а также программы с открытым исходным кодом, такие как QGIS , GRASS GIS , MapGuide и Hadoop-GIS . [19] Эти и другие настольные ГИС-приложения включают в себя полный набор возможностей для ввода, управления, анализа и визуализации географических данных и предназначены для самостоятельного использования.
Начиная с конца 1990-х годов, с появлением Интернета , по мере развития технологий компьютерных сетей, инфраструктура и данные ГИС начали перемещаться на серверы , обеспечивая еще один механизм предоставления возможностей ГИС. [20] : 216 Этому способствовало автономное программное обеспечение, установленное на сервере, аналогичное другому серверному программному обеспечению, такому как HTTP-серверы и системы управления реляционными базами данных , что позволяло клиентам иметь доступ к данным ГИС и инструментам обработки без необходимости установки специализированного настольного программного обеспечения. Эти сети известны как распределенные ГИС . [21] [22] Эта стратегия получила распространение за счет Интернета и разработки облачных ГИС-платформ, таких как ArcGIS Online, и специализированного ГИС- программного обеспечения как услуги (SAAS). Использование Интернета для облегчения распределенной ГИС известно как Интернет-ГИС . [21] [22]
Альтернативный подход — интеграция некоторых или всех этих возможностей в другое программное обеспечение или архитектуру информационных технологий . Одним из примеров является пространственное расширение программного обеспечения объектно-реляционной базы данных , которое определяет тип данных геометрии, чтобы пространственные данные могли храниться в реляционных таблицах, а также расширения SQL для операций пространственного анализа, таких как наложение . Другим примером является распространение геопространственных библиотек и интерфейсов прикладного программирования (например, GDAL , Leaflet , D3.js ), которые расширяют языки программирования, позволяя включать данные ГИС и их обработку в специальное программное обеспечение, включая веб-картографические сайты и геолокационные сервисы в смартфоны .
Ядром любой ГИС является база данных , содержащая представления географических явлений, моделирующая их геометрию (расположение и форму), а также их свойства или атрибуты . База данных ГИС может храниться в различных формах, например, в виде набора отдельных файлов данных или единой реляционной базы данных с пространственным доступом . Сбор этих данных и управление ими обычно занимает большую часть времени и финансовых ресурсов проекта, гораздо больше, чем другие аспекты, такие как анализ и картографирование. [20] : 175
ГИС использует пространственно-временное ( пространственно-временное ) местоположение в качестве ключевой индексной переменной для всей остальной информации. Подобно тому, как реляционная база данных, содержащая текст или числа, может связывать множество различных таблиц, используя общие ключевые переменные индекса, ГИС может связывать несвязанную в противном случае информацию, используя местоположение в качестве ключевой индексной переменной. Ключевым моментом является местоположение и/или протяженность в пространстве-времени.
На любую переменную, которая может быть расположена в пространстве, а также во все большей степени во времени, можно ссылаться с помощью ГИС. Местоположение или протяженность земного пространства-времени могут быть записаны как даты/время возникновения, а также координаты x, y и z , представляющие долготу , широту и высоту соответственно. Эти координаты ГИС могут представлять собой другие количественные системы временно-пространственной привязки (например, номер кадра фильма, гидрометрическая станция, указатель мили шоссе, геодезический ориентир, адрес здания, пересечение улиц, въездные ворота, зондирование глубины воды, чертежи POS или CAD ) . происхождение/единицы измерения). Единицы, применяемые к записанным пространственно-временным данным, могут сильно различаться (даже при использовании одних и тех же данных, см. картографические проекции ), но все наземные привязки пространственно-временного местоположения и протяженности в идеале должны быть связаны друг с другом и, в конечном счете, с «реальное» физическое местоположение или протяженность в пространстве-времени.
С помощью точной пространственной информации можно анализировать, интерпретировать и представлять невероятное разнообразие реальных и прогнозируемых данных прошлого или будущего. [23] Эта ключевая характеристика ГИС начала открывать новые возможности для научных исследований поведения и моделей реальной информации, которые ранее не подвергались систематической корреляции .
Данные ГИС представляют явления, существующие в реальном мире, такие как дороги, землепользование, высота над уровнем моря, деревья, водные пути и штаты. Наиболее распространенные типы явлений, представленных в данных, можно разделить на две концептуализации: дискретные объекты (например, дом, дорога) и непрерывные поля (например, количество осадков или плотность населения). [20] : 62–65 Представлены другие типы географических явлений, таких как события (например, места сражений Второй мировой войны ), процессы (например, степень заселения пригородов ) и массы (например, типы почвы на определенной территории). реже или косвенно, или моделируются в процедурах анализа, а не в данных.
Традиционно существует два основных метода хранения данных в ГИС для обоих типов ссылок на отображение абстракций: растровые изображения и векторные изображения . Точки, линии и многоугольники представляют собой векторные данные ссылок на сопоставленные атрибуты местоположения.
Новый гибридный метод хранения данных заключается в идентификации облаков точек, которые объединяют трехмерные точки с информацией RGB в каждой точке, возвращая « цветное трехмерное изображение ». Тематические карты ГИС становятся все более и более реалистично визуально описывающими то, что они призваны показать или определить.
Сбор данных ГИС включает в себя несколько методов сбора пространственных данных в базу данных ГИС, которые можно сгруппировать в три категории: сбор первичных данных , непосредственное измерение явлений в полевых условиях (например, дистанционное зондирование , система глобального позиционирования ); сбор вторичных данных , извлечение информации из существующих источников, не представленных в форме ГИС, таких как бумажные карты, посредством оцифровки ; и передача данных , копирование существующих данных ГИС из внешних источников, таких как государственные учреждения и частные компании. Все эти методы могут потребовать значительного времени, финансов и других ресурсов. [20] : 173
Данные съемки можно вводить непосредственно в ГИС из систем сбора цифровых данных на геодезических инструментах с использованием метода, называемого координатной геометрией (COGO) . Позиции из глобальной навигационной спутниковой системы ( GNSS ), такой как система глобального позиционирования, также можно собирать и затем импортировать в ГИС. Текущая тенденция в сборе данных дает пользователям возможность использовать полевые компьютеры с возможностью редактировать данные в реальном времени, используя беспроводные соединения или автономные сеансы редактирования. [24] Текущая тенденция заключается в использовании приложений, доступных на смартфонах и КПК – Мобильная ГИС. [25] Этому способствовало наличие недорогих GPS-устройств картографического класса с дециметровой точностью в реальном времени. Это устраняет необходимость публиковать обработку, импортировать и обновлять данные в офисе после сбора данных на местах. Это включает в себя возможность учитывать позиции, полученные с помощью лазерного дальномера . Новые технологии также позволяют пользователям создавать карты и проводить анализ непосредственно в полевых условиях, что повышает эффективность проектов и точность картографирования.
Данные дистанционного зондирования также играют важную роль в сборе данных и состоят из датчиков, прикрепленных к платформе. Датчики включают камеры, цифровые сканеры и лидары , а платформы обычно состоят из самолетов и спутников . В Англии в середине 1990-х годов гибридные воздушные змеи и воздушные шары, называемые хеликитами , впервые стали пионерами использования компактных бортовых цифровых камер в качестве бортовых геоинформационных систем. Программное обеспечение для измерения самолета с точностью до 0,4 мм использовалось для связи фотографий и измерения земли. Хеликиты недороги и собирают более точные данные, чем самолеты. Хеликиты можно использовать над дорогами, железными дорогами и городами, где запрещены беспилотные летательные аппараты (БПЛА).
В последнее время сбор аэрофотоснимков стал более доступным с помощью миниатюрных БПЛА и дронов. Например, Aeryon Scout использовался для картографирования территории площадью 50 акров с расстоянием до образца грунта 1 дюйм (2,54 см) всего за 12 минут. [26]
Большая часть цифровых данных в настоящее время поступает в результате фотоинтерпретации аэрофотоснимков. Рабочие станции электронного копирования используются для оцифровки объектов непосредственно из стереопар цифровых фотографий. Эти системы позволяют собирать данные в двух и трех измерениях, при этом высоты измеряются непосредственно по стереопаре с использованием принципов фотограмметрии . Аналоговые аэрофотоснимки необходимо сканировать перед вводом в систему электронного копирования; для высококачественных цифровых камер этот шаг пропускается.
Спутниковое дистанционное зондирование является еще одним важным источником пространственных данных. Здесь спутники используют различные пакеты датчиков для пассивного измерения коэффициента отражения частей электромагнитного спектра или радиоволн, излучаемых активным датчиком, например радаром. Дистанционное зондирование собирает растровые данные, которые могут быть дополнительно обработаны с использованием различных каналов для идентификации объектов и классов, представляющих интерес, например, растительного покрова.
Наиболее распространенным методом создания данных является оцифровка , при которой печатная карта или план съемки передаются на цифровой носитель с помощью программы САПР и возможностей географической привязки. Благодаря широкой доступности орто-исправленных изображений (со спутников, самолетов, «Геликитов» и БПЛА) оцифровка изображений становится основным способом извлечения географических данных. Оцифровка «головой вверх» предполагает отслеживание географических данных непосредственно поверх аэрофотоснимков вместо традиционного метода отслеживания географической формы на отдельном планшете для оцифровки (оцифровка «головой вниз»). При оцифровке «головой вниз», или ручной оцифровке, используется специальная магнитная ручка или стилус, который вводит информацию в компьютер для создания идентичной цифровой карты. В некоторых планшетах вместо стилуса используется инструмент, похожий на мышь, называемый шайбой. [27] [28] Шайба имеет небольшое окошко с перекрестием, которое позволяет повысить точность и определить особенности карты. Хотя оцифровка «головой вверх» используется чаще, оцифровка «головой вниз» по-прежнему полезна для оцифровки карт низкого качества. [28]
Существующие данные, напечатанные на бумаге или картах ПЭТ-пленки , можно оцифровать или отсканировать для получения цифровых данных. Дигитайзер создает векторные данные, когда оператор отслеживает точки, линии и границы полигонов на карте. В результате сканирования карты получаются растровые данные, которые можно в дальнейшем обработать для получения векторных данных.
При сборе данных пользователь должен учитывать, следует ли собирать данные с относительной или абсолютной точностью, поскольку это может повлиять не только на то, как информация будет интерпретироваться, но и на стоимость сбора данных.
После ввода данных в ГИС данные обычно требуют редактирования, удаления ошибок или дальнейшей обработки. Для векторных данных их необходимо сделать «топологически корректными», прежде чем их можно будет использовать для какого-либо расширенного анализа. Например, в дорожной сети линии должны соединяться с узлами на перекрестках. Такие ошибки, как недолеты и перелеты, также необходимо удалять. Для отсканированных карт может потребоваться удалить дефекты исходной карты из полученного растра . Например, пятнышко грязи может соединить две линии, которые не следует соединять.
Земля может быть представлена различными моделями, каждая из которых может предоставлять различный набор координат (например, широту, долготу, высоту) для любой заданной точки на поверхности Земли. Самая простая модель — предположить, что Земля представляет собой идеальную сферу. По мере того, как накапливалось больше измерений Земли, модели Земли становились более сложными и точными. Фактически, существуют модели, называемые датумами , которые применяются к различным областям Земли для обеспечения повышенной точности, например, Североамериканский датум 1983 года для измерений в США и Всемирная геодезическая система для измерений по всему миру.
Широта и долгота на карте, составленной по местным данным, могут не совпадать с широтой и долготой, полученными с помощью GPS-приемника . Преобразование координат из одной базы данных в другую требует преобразования датума , такого как преобразование Гельмерта , хотя в некоторых ситуациях простого перевода может быть достаточно. [29]
В популярном программном обеспечении ГИС данные, проецируемые по широте/долготе, часто представляются в виде географической системы координат . Например, данные по широте/долготе, если датумом является « Североамериканский датум 1983 года», обозначаются как «GCS North American 1983».
Хотя ни одна цифровая модель не может быть идеальным представлением реального мира, важно, чтобы данные ГИС были высокого качества. В соответствии с принципом гомоморфизма данные должны быть достаточно близки к реальности, чтобы результаты процедур ГИС правильно соответствовали результатам реальных процессов. Это означает, что не существует единого стандарта качества данных, поскольку необходимая степень качества зависит от масштаба и цели задач, для которых они будут использоваться. Для данных ГИС важны несколько элементов качества данных:
Точность ГИС зависит от исходных данных и от того, как они кодируются для ссылки на данные. Геодезисты смогли обеспечить высокий уровень точности позиционирования, используя координаты, полученные с помощью GPS . [31] Цифровые изображения местности и аэрофотоснимки высокого разрешения, [32] мощные компьютеры и веб-технологии меняют качество, полезность и ожидания от ГИС в плане служения обществу в больших масштабах, но, тем не менее, существуют и другие исходные данные, которые влияют на ГИС в целом. точности, как бумажные карты, хотя они могут иметь ограниченное применение для достижения желаемой точности.
При разработке цифровой топографической базы данных для ГИС топографические карты являются основным источником, а аэрофотосъемка и спутниковые изображения являются дополнительными источниками для сбора данных и определения атрибутов, которые могут быть отображены слоями на факсимиле местоположения в масштабе. Масштаб карты и тип представления географической области рендеринга, или картографическая проекция , являются очень важными аспектами, поскольку информационное содержание зависит главным образом от набора масштаба и, как следствие, от локализации представлений карты. Чтобы оцифровать карту, ее необходимо проверить на теоретические размеры, затем отсканировать в растровый формат, а полученным растровым данным необходимо придать теоретический размер с помощью технологического процесса наложения резиновых листов / деформации, известного как географическая привязка .
Количественный анализ карт выдвигает на первый план вопросы точности. Электронное и другое оборудование, используемое для проведения измерений в ГИС, гораздо более точное, чем машины для обычного анализа карт. Все географические данные по своей сути неточны, и эти неточности будут распространяться через операции ГИС способами, которые трудно предсказать. [33]
Реструктуризация данных может быть выполнена ГИС для преобразования данных в различные форматы. Например, ГИС можно использовать для преобразования карты спутникового изображения в векторную структуру путем создания линий вокруг всех ячеек с одинаковой классификацией и одновременного определения пространственных отношений ячеек, таких как смежность или включение.
Более продвинутая обработка данных может происходить с помощью обработки изображений — метода, разработанного в конце 1960-х годов НАСА и частным сектором для обеспечения повышения контрастности, передачи ложных цветов и множества других методов, включая использование двумерных преобразований Фурье . Поскольку цифровые данные собираются и хранятся различными способами, эти два источника данных могут быть не полностью совместимы. Таким образом, ГИС должна иметь возможность преобразовывать географические данные из одной структуры в другую. При этом неявные предположения, лежащие в основе различных онтологий и классификаций, требуют анализа. [34] Объектные онтологии приобретают все большую известность благодаря объектно-ориентированному программированию и постоянной работе Барри Смита и его коллег.
Инструменты пространственного ETL предоставляют функции обработки данных традиционного программного обеспечения для извлечения, преобразования и загрузки (ETL), но с основным упором на возможность управления пространственными данными. Они предоставляют пользователям ГИС возможность переводить данные между различными стандартами и собственными форматами, одновременно геометрически преобразовывая данные в пути. Эти инструменты могут представлять собой надстройки к существующему программному обеспечению более широкого назначения, например, к электронным таблицам .
Пространственный анализ ГИС — быстро меняющаяся область, и пакеты ГИС все чаще включают аналитические инструменты в качестве стандартных встроенных средств, дополнительных наборов инструментов, надстроек или «аналитиков». Во многих случаях они предоставляются первоначальными поставщиками программного обеспечения (коммерческими поставщиками или совместными некоммерческими группами разработчиков), тогда как в других случаях средства были разработаны и предоставлены третьими сторонами. Кроме того, многие продукты предлагают комплекты разработки программного обеспечения (SDK), языки программирования и языковую поддержку, средства написания сценариев и/или специальные интерфейсы для разработки собственных аналитических инструментов или их вариантов. Повышенная доступность создала новое измерение бизнес-аналитики , названное « пространственным интеллектом », которое, будучи открыто предоставлено через интранет, демократизирует доступ к географическим данным и данным социальных сетей. Геопространственный интеллект , основанный на пространственном анализе ГИС, также стал ключевым элементом безопасности. ГИС в целом можно описать как преобразование в векторное представление или любой другой процесс оцифровки.
Геообработка — это операция ГИС, используемая для управления пространственными данными. Типичная операция геообработки берет входной набор данных , выполняет операцию над этим набором данных и возвращает результат операции в виде выходного набора данных. Общие операции геообработки включают наложение географических объектов, выбор и анализ объектов, обработку топологии , растровую обработку и преобразование данных. Геообработка позволяет определять, управлять и анализировать информацию, используемую для формирования решений. [35]
Многие географические задачи связаны с рельефом местности , формой поверхности земли, например гидрология , земляные работы и биогеография . Таким образом, данные о местности часто являются основным набором данных в ГИС, обычно в форме растровой цифровой модели рельефа (DEM) или нерегулярной триангулированной сети (TIN). В большинстве программ ГИС доступны различные инструменты для анализа местности, часто путем создания производных наборов данных, которые представляют определенный аспект поверхности. Некоторые из наиболее распространенных включают в себя:
Большинство из них создаются с использованием алгоритмов, которые являются дискретным упрощением векторного исчисления . Уклон, экспозиция и кривизна поверхности при анализе ландшафта получаются в результате операций соседства с использованием значений высоты соседних соседей ячейки. [39] На каждый из этих параметров сильно влияет уровень детализации данных о местности, например, разрешение ЦМР, которое следует выбирать тщательно. [40]
Расстояние является ключевой частью решения многих географических задач, обычно из-за трения расстояния . Таким образом, широкий спектр инструментов анализа может анализировать расстояние в той или иной форме, например, буферы , полигоны Вороного или Тиссена , анализ стоимостного расстояния и сетевой анализ .
Трудно связать карты водно-болотных угодий с количеством осадков , зарегистрированным в различных точках, таких как аэропорты, телевизионные станции и школы. Однако ГИС можно использовать для изображения двух- и трехмерных характеристик поверхности, недр и атмосферы Земли из информационных точек. Например, ГИС может быстро создать карту с изоплетами или контурными линиями , показывающими различное количество осадков. Такую карту можно рассматривать как контурную карту осадков. Многие сложные методы позволяют оценить характеристики поверхностей по ограниченному числу точечных измерений. Двумерная контурная карта, созданная на основе моделирования поверхности с измерениями точек осадков, может быть наложена и проанализирована с любой другой картой в ГИС, охватывающей ту же область. Эта карта, полученная из ГИС, может затем предоставить дополнительную информацию, например, о жизнеспособности гидроэнергетического потенциала в качестве возобновляемого источника энергии. Аналогично, ГИС можно использовать для сравнения других ресурсов возобновляемой энергии , чтобы найти лучший географический потенциал для региона. [41]
Кроме того, из серии трехмерных точек или цифровой модели рельефа можно создать изоплеты, представляющие изолинии высот, а также анализ уклонов, заштрихованный рельеф и другие продукты высот. Водоразделы можно легко определить для любого заданного участка, рассчитав все территории, прилегающие и расположенные вверх по склону от любой заданной точки интереса. Аналогичным образом, ожидаемый тальвег того, куда поверхностные воды будут перемещаться в прерывистых и постоянных потоках, можно рассчитать на основе данных о высоте в ГИС.
ГИС может распознавать и анализировать пространственные отношения, существующие в пространственных данных, хранящихся в цифровом формате. Эти топологические отношения позволяют выполнять сложное пространственное моделирование и анализ. Топологические отношения между геометрическими объектами традиционно включают смежность (что с чем примыкает), вложение (что что включает в себя) и близость (насколько близко что-то к чему-то другому).
Геометрические сети — это линейные сети объектов, которые можно использовать для представления взаимосвязанных объектов и выполнения над ними специального пространственного анализа. Геометрическая сеть состоит из ребер, соединенных в точках соединения, подобно графам в математике и информатике. Как и в случае с графами, ребрам сетей можно присвоить вес и поток, что можно использовать для более точного представления различных взаимосвязанных функций. Геометрические сети часто используются для моделирования дорожных сетей и сетей коммунального хозяйства , таких как электрические, газовые и водопроводные сети. Сетевое моделирование также широко используется в транспортном планировании , гидрологическом моделировании и моделировании инфраструктуры .
Дана Томлин ввел термин «картографическое моделирование» в своей докторской диссертации (1983 г.); Позже он использовал это слово в названии своей книги « Географические информационные системы и картографическое моделирование» (1990). [42] Картографическое моделирование — это процесс, в котором создаются, обрабатываются и анализируются несколько тематических слоев одной и той же территории. Томлин использовал растровые слои, но метод наложения (см. ниже) можно использовать и в более общем плане. Операции над слоями карты можно объединить в алгоритмы и, в конечном итоге, в модели моделирования или оптимизации.
Комбинация нескольких наборов пространственных данных (точек, линий или полигонов ) создает новый набор выходных векторных данных, визуально похожий на объединение нескольких карт одного и того же региона. Эти наложения аналогичны наложениям математических диаграмм Венна . Наложение объединения объединяет географические объекты и таблицы атрибутов обоих входных данных в один новый выходной файл. Наложение пересечения определяет область, в которой оба входных сигнала перекрываются, и сохраняет набор полей атрибутов для каждого из них. Наложение симметричной разности определяет выходную область, которая включает в себя общую площадь обоих входов, за исключением области перекрытия.
Извлечение данных — это процесс ГИС, аналогичный векторному наложению, хотя его можно использовать как для анализа векторных, так и для растровых данных. Вместо объединения свойств и особенностей обоих наборов данных извлечение данных предполагает использование «клипа» или «маски» для извлечения характеристик одного набора данных, которые попадают в пространственный экстент другого набора данных.
При анализе растровых данных наложение наборов данных осуществляется с помощью процесса, известного как «локальная операция с несколькими растрами» или « алгебра карт », с помощью функции, которая объединяет значения матрицы каждого растра . Эта функция может взвешивать некоторые входные данные больше, чем другие, за счет использования «индексной модели», которая отражает влияние различных факторов на географическое явление.
Геостатистика — это раздел статистики, который занимается полевыми данными, пространственными данными с непрерывным индексом. Он предоставляет методы моделирования пространственной корреляции и прогнозирования значений в произвольных местах (интерполяция).
Когда явления измеряются, методы наблюдения определяют точность любого последующего анализа. Из-за характера данных (например, характер дорожного движения в городской среде; погодные условия над Тихим океаном ) при измерении всегда теряется постоянная или динамическая степень точности. Эта потеря точности определяется масштабом и распределением сбора данных.
Чтобы определить статистическую значимость анализа, определяется среднее значение, чтобы можно было включить точки (градиенты) за пределами каких-либо непосредственных измерений для определения их прогнозируемого поведения. Это связано с ограничениями применяемых методов статистики и сбора данных, а для прогнозирования поведения частиц, точек и мест, которые невозможно измерить напрямую, требуется интерполяция.
Интерполяция — это процесс создания поверхности (обычно набора растровых данных) посредством ввода данных, собранных в нескольких точках выборки. Существует несколько форм интерполяции, каждая из которых обрабатывает данные по-разному в зависимости от свойств набора данных. При сравнении методов интерполяции в первую очередь следует учитывать, изменятся ли исходные данные (точные или приблизительные). Следующий вопрос заключается в том, является ли метод субъективным, человеческой интерпретацией или объективным. Далее, характер переходов между точками: резкие они или постепенные. Наконец, существует вопрос, является ли метод глобальным (он использует весь набор данных для формирования модели) или локальным, когда алгоритм повторяется для небольшого участка местности.
Интерполяция является оправданным измерением благодаря принципу пространственной автокорреляции, который признает, что данные, собранные в любой точке, будут иметь большое сходство или влияние с этими местоположениями в непосредственной близости от нее.
Цифровые модели рельефа , триангулированные нерегулярные сети , алгоритмы поиска ребер, многоугольники Тиссена , анализ Фурье , (взвешенные) скользящие средние , взвешивание обратного расстояния , кригинг , сплайн и анализ поверхности тренда — все это математические методы для получения интерполяционных данных.
Геокодирование — это интерполяция пространственных местоположений (координат X,Y) на основе уличных адресов или любых других данных с пространственной привязкой, таких как почтовые индексы , участки участков и местоположения адресов. Справочная тема необходима для геокодирования отдельных адресов, например файл осевой линии дороги с диапазонами адресов. Местоположение отдельных адресов исторически интерполировалось или оценивалось путем изучения диапазонов адресов вдоль сегмента дороги. Обычно они предоставляются в виде таблицы или базы данных. Затем программное обеспечение поставит точку примерно там, где этот адрес принадлежит сегменту осевой линии. Например, адресная точка 500 будет находиться в середине сегмента линии, который начинается с адреса 1 и заканчивается адресом 1000. Геокодирование также можно применять к реальным данным об участках, обычно с карт муниципальных налогов. В этом случае результатом геокодирования будет фактически позиционированное пространство, а не интерполированная точка. Этот подход все чаще используется для предоставления более точной информации о местоположении.
Обратное геокодирование — это процесс возврата примерного номера уличного адреса по отношению к заданной координате. Например, пользователь может щелкнуть тему осевой линии дороги (таким образом предоставив координаты) и получить информацию, отражающую предполагаемое количество домов. Этот номер дома интерполируется из диапазона, присвоенного этому сегменту дороги. Если пользователь щелкнет в середине сегмента , который начинается с адреса 1 и заканчивается 100, возвращаемое значение будет где-то около 50. Обратите внимание, что обратное геокодирование не возвращает фактические адреса, а только оценки того, что там должно быть, на основе заранее определенного диапазон.
В сочетании с ГИС методы многокритериального анализа решений помогают лицам, принимающим решения, анализировать набор альтернативных пространственных решений, таких как наиболее вероятная экологическая среда обитания для восстановления, по множеству критериев, таких как растительный покров или дороги. MCDA использует правила принятия решений для агрегирования критериев, что позволяет ранжировать или расставлять приоритеты альтернативных решений. [43] ГИС MCDA может сократить затраты и время, затрачиваемые на определение потенциальных участков восстановления.
ГИС или пространственный анализ данных — это применение методов интеллектуального анализа данных к пространственным данным. Интеллектуальный анализ данных, который представляет собой частично автоматизированный поиск скрытых закономерностей в больших базах данных, предлагает большие потенциальные преимущества для принятия прикладных решений на основе ГИС. Типичные области применения включают мониторинг окружающей среды . Особенностью таких приложений является то, что пространственная корреляция между измерениями данных требует использования специализированных алгоритмов для более эффективного анализа данных. [44]
Картография — это разработка и производство карт или визуального представления пространственных данных. Подавляющее большинство современной картографии выполняется с помощью компьютеров, обычно с использованием ГИС, но создание качественной картографии также достигается за счет импорта слоев в программу проектирования для ее уточнения. Большая часть программного обеспечения ГИС дает пользователю существенный контроль над внешним видом данных.
Картографическая работа выполняет две основные функции:
Во-первых, он создает графику на экране или на бумаге, которая передает результаты анализа людям, принимающим решения о ресурсах. Могут быть созданы настенные карты и другая графика, позволяющая зрителю визуализировать и, таким образом, понимать результаты анализа или моделирования потенциальных событий. Веб-картографические серверы облегчают распространение сгенерированных карт через веб-браузеры с использованием различных реализаций веб-интерфейсов прикладного программирования ( AJAX , Java , Flash и т. д.).
Во-вторых, можно создать другую информацию базы данных для дальнейшего анализа или использования. Примером может служить список всех адресов в пределах одной мили (1,6 км) от места разлива токсичных веществ.
Археохром – это новый способ отображения пространственных данных. Это тематика на 3D-карте, которая применяется к конкретному зданию или части здания. Он подходит для визуального отображения данных о теплопотерях.
Традиционные карты представляют собой абстракции реального мира, выборку важных элементов, изображенных на листе бумаги с помощью символов, обозначающих физические объекты. Люди, использующие карты, должны интерпретировать эти символы. На топографических картах форму земной поверхности изображают горизонталями или заштрихованным рельефом .
Сегодня методы графического отображения, такие как затенение на основе высоты в ГИС, могут сделать взаимосвязи между элементами карты видимыми, повышая способность человека извлекать и анализировать информацию. Например, два типа данных были объединены в ГИС для получения перспективного изображения части округа Сан-Матео , Калифорния .
ГИС использовалась для регистрации и объединения двух изображений для визуализации трехмерного перспективного вида разлома Сан-Андреас с использованием пикселей изображения Thematic Mapper, но затененного с учетом высоты форм рельефа . Отображение ГИС зависит от точки наблюдения наблюдателя и времени суток, чтобы правильно отображать тени, создаваемые солнечными лучами на этой широте, долготе и времени суток.
В последние годы наблюдается распространение бесплатного и легкодоступного картографического программного обеспечения, такого как проприетарные веб-приложения Google Maps и Bing Maps , а также бесплатная альтернатива OpenStreetMap с открытым исходным кодом . Эти сервисы предоставляют обществу доступ к огромным объемам географических данных, которые многие пользователи считают такими же заслуживающими доверия и пригодными для использования, как и профессиональная информация. [45] Например, во время пандемии COVID-19 веб-карты, размещенные на информационных панелях, использовались для быстрого распространения данных о случаях заболевания среди широкой общественности. [46]
Некоторые из них, например Google Maps и OpenLayers , предоставляют интерфейс прикладного программирования (API), который позволяет пользователям создавать собственные приложения. Эти наборы инструментов обычно предлагают карты улиц, аэрофотоснимки/спутниковые изображения, функции геокодирования, поиска и маршрутизации. Веб-картография также раскрыла потенциал краудсорсинга геоданных в таких проектах, как OpenStreetMap , который представляет собой совместный проект по созданию бесплатной редактируемой карты мира. Доказано, что эти гибридные проекты обеспечивают высокий уровень ценности и пользы для конечных пользователей, выходящий за рамки возможностей традиционной географической информации. [47] [48]
Веб-картография не лишена недостатков. Веб-картография позволяет создавать и распространять карты людьми без соответствующей картографической подготовки. [49] Это привело к тому, что карты игнорируют картографические соглашения и потенциально вводят в заблуждение. Одно исследование показало, что более половины информационных панелей правительства штатов США по COVID-19 не соответствуют этим соглашениям. [50] [51]
С момента своего появления в 1960-х годах ГИС использовалась во все более широком спектре приложений, что подтверждает широко распространенную важность местоположения и чему способствует продолжающееся снижение барьеров на пути внедрения геопространственных технологий. Возможно, сотни различных применений ГИС можно классифицировать несколькими способами:
Внедрение ГИС часто обусловлено требованиями юрисдикции (например, города), цели или применения. Как правило, реализация ГИС может быть разработана специально для организации. Следовательно, развертывание ГИС, разработанное для какого-либо приложения, юрисдикции, предприятия или цели, может не обязательно быть совместимым или совместимым с ГИС, разработанным для какого-либо другого приложения, юрисдикции, предприятия или цели. [60]
ГИС также расширяется до сервисов, основанных на местоположении , которые позволяют мобильным устройствам с поддержкой GPS отображать свое местоположение относительно фиксированных объектов (ближайший ресторан, заправочная станция, пожарный гидрант) или мобильных объектов (друзья, дети, полицейская машина) или передают свою позицию обратно на центральный сервер для отображения или другой обработки.
ГИС также используется в цифровом маркетинге и SEO для сегментации аудитории по местоположению. [61] [62]
Использование цифровых карт, созданных ГИС, также повлияло на развитие академической области, известной как пространственные гуманитарные науки. [70]
Открытый геопространственный консорциум (OGC) — это международный отраслевой консорциум, в состав которого входят 384 компании, правительственные учреждения, университеты и частные лица, участвующие в процессе консенсуса по разработке общедоступных спецификаций геообработки. Открытые интерфейсы и протоколы, определенные спецификациями OpenGIS, поддерживают совместимые решения, которые «подключают географические данные» к Интернету, беспроводным и геолокационным службам, а также к основным ИТ-технологиям, а также дают разработчикам технологий возможность сделать сложную пространственную информацию и услуги доступными и полезными для всех видов приложений. . Протоколы Open Geospatial Consortium включают Web Map Service и Web Feature Service . [74]
Продукты ГИС разбиты OGC на две категории в зависимости от того, насколько полно и точно программное обеспечение соответствует спецификациям OGC.
Совместимые продукты — это программные продукты, соответствующие спецификациям OGC OpenGIS. Когда продукт был протестирован и сертифицирован как соответствующий в рамках программы тестирования OGC, он автоматически регистрируется как «соответствующий» на этом сайте.
Внедряемые продукты — это программные продукты, которые реализуют спецификации OpenGIS, но еще не прошли проверку на соответствие. Тесты на соответствие доступны не для всех спецификаций. Разработчики могут зарегистрировать свои продукты как реализующие черновые или утвержденные спецификации, однако OGC оставляет за собой право просматривать и проверять каждую запись.
Состояние поверхности, атмосферы и недр Земли можно изучить, загрузив спутниковые данные в ГИС. Технология ГИС дает исследователям возможность изучать изменения земных процессов в течение дней, месяцев и лет с помощью картографических визуализаций. [75] Например, можно анимировать изменения в силе растительности в течение вегетационного периода, чтобы определить, когда засуха была наиболее обширной в конкретном регионе. Полученный график представляет приблизительную оценку здоровья растений. Работа с двумя переменными во времени позволит исследователям обнаружить региональные различия в задержке между уменьшением количества осадков и его влиянием на растительность.
Технология ГИС и наличие цифровых данных в региональном и глобальном масштабе позволяют проводить такой анализ. Выходные данные спутникового датчика, используемые для создания графиков растительности, производятся, например, с помощью усовершенствованного радиометра очень высокого разрешения (AVHRR). Эта сенсорная система обнаруживает количество энергии, отраженной от поверхности Земли в различных диапазонах спектра на площади около 1 квадратного километра. Спутниковый датчик создает изображения определенного места на Земле два раза в день. AVHRR и, в последнее время, спектрорадиометр среднего разрешения (MODIS) — лишь две из многих сенсорных систем, используемых для анализа поверхности Земли.
Помимо интеграции времени в исследования окружающей среды, ГИС также изучается на предмет ее способности отслеживать и моделировать прогресс людей в их повседневной жизни. Конкретным примером прогресса в этой области является недавняя публикация данных переписи населения США за определенный период . В этом наборе данных население городов показано в дневное и вечернее время, подчеркивая структуру концентрации и дисперсии, обусловленную моделями поездок на работу в Северной Америке. Манипулирование и генерация данных, необходимых для получения этих данных, были бы невозможны без ГИС.
Использование моделей для проецирования данных, содержащихся в ГИС, вперед во времени позволило планировщикам тестировать политические решения с использованием систем поддержки пространственных решений .
Инструменты и технологии, появившиеся в рамках Семантической паутины Консорциума Всемирной паутины, оказались полезными для решения проблем интеграции данных в информационных системах. Соответственно, такие технологии были предложены как средство облегчения взаимодействия и повторного использования данных среди приложений ГИС, а также для создания новых механизмов анализа. [76] [77] [78] [79]
Онтологии являются ключевым компонентом этого семантического подхода, поскольку они позволяют формальную, машиночитаемую спецификацию понятий и отношений в данной области. Это, в свою очередь, позволяет ГИС сосредоточиться на предполагаемом значении данных, а не на их синтаксисе или структуре. Например, если предположить , что тип земного покрова, классифицированный как лиственные игольчатые деревья в одном наборе данных, является специализацией или подгруппой типа леса земного покрова в другом, более грубо классифицированном наборе данных, может помочь ГИС автоматически объединить два набора данных в рамках более общей классификации земного покрова. Предварительные онтологии были разработаны в областях, связанных с приложениями ГИС, например, онтология гидрологии [80] , разработанная Управлением по боеприпасам в Соединенном Королевстве , и онтологии SWEET [81], разработанные Лабораторией реактивного движения НАСА . Кроме того, группа W3C Geo Incubator Group [82] предлагает более простые онтологии и стандарты семантических метаданных для представления геопространственных данных в сети. GeoSPARQL — это стандарт, разработанный Управлением вооружений, Геологической службой США , Министерством природных ресурсов Канады , Организацией научных и промышленных исследований Содружества Австралии и другими организациями для поддержки создания онтологий и рассуждений с использованием хорошо понятных литералов OGC (GML, WKT), топологических связей (Simple Функции, RCC8, DE-9IM), RDF и протоколы запросов к базе данных SPARQL .
Результаты последних исследований в этой области можно увидеть на Международной конференции по геопространственной семантике [83] и семинаре Terra Cognita – Directions to the Geospatial Semantic Web [84] на Международной конференции по семантической сети.
С популяризацией ГИС в процессе принятия решений ученые начали тщательно изучать социальные и политические последствия ГИС. [85] [86] [45] ГИС также могут быть использованы не по назначению для искажения реальности в личных и политических целях. [87] [88] Утверждалось, что производство, распространение, использование и представление географической информации во многом связаны с социальным контекстом и потенциально могут повысить доверие граждан к правительству. [89] Другие связанные темы включают обсуждение авторских прав , конфиденциальности и цензуры . Более оптимистичный социальный подход к внедрению ГИС состоит в том, чтобы использовать их в качестве инструмента участия общественности.
В конце 20-го века ГИС стали признавать инструментами, которые можно было использовать в классе. [90] [91] [92] Кажется, что преимущества ГИС в образовании сосредоточены на развитии пространственного познания , но недостаточно библиографии или статистических данных, чтобы показать конкретные масштабы использования ГИС в образовании во всем мире, хотя расширение было быстрее в тех странах, где они упоминаются в учебной программе. [93] : 36
ГИС, кажется, дают много преимуществ в преподавании географии , поскольку они позволяют проводить анализ на основе реальных географических данных, а также помогают поднимать многие исследовательские вопросы перед учителями и учениками в классах. Они также способствуют улучшению обучения, развивая пространственное и географическое мышление и, во многих случаях, мотивацию учащихся. [93] : 38
Курсы по ГИС также предлагаются образовательными учреждениями. [94] [95]
ГИС зарекомендовала себя как общеорганизационная, корпоративная и устойчивая технология, которая продолжает менять методы работы местных органов власти. [96] Правительственные учреждения внедрили технологию ГИС в качестве метода лучшего управления следующими областями государственной организации:
Инициатива «Открытые данные» подталкивает местные органы власти к использованию преимуществ таких технологий, как технология ГИС, поскольку она включает в себя требования, необходимые для соответствия модели прозрачности «Открытые данные/Открытое правительство». [96] С помощью открытых данных местные правительственные организации могут внедрять приложения и онлайн-порталы для взаимодействия с гражданами, позволяя гражданам видеть информацию о земле, сообщать о выбоинах и проблемах с указателями, просматривать и сортировать парки по активам, просматривать уровень преступности в реальном времени и данные о ремонтных работах, а также гораздо более. [98] [99] Стремление к открытым данным в правительственных организациях стимулирует рост расходов местных органов власти на ГИС-технологии и управление базами данных.
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ) ; Отсутствует или пусто |title=( помощь )
СМИ, связанные с географическими информационными системами, на Викискладе?