53497

ГЕОИНФОРМАТИКА. В.С.Тикунова

Книга

Исторические личности и представители мировой культуры

В учебнике освещены общие вопросы геоинформатики, функциональные возможности географических информационных систем (ГИС), принципы проектирования, интеграции данных и технологий, особенности интеллектуализации ГИС и систем поддержки принятия решений. Вместе с учебным пособием «Сборник задач и упражнений по геоинформатике», дополненным компакт-диском, составляет учебный комплект.

Русский

2014-04-01

28.88 MB

59 чел.

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Серия

КЛАССИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТСКИЙ УЧЕБНИК

основана в 2002 году по иниииативе ректора МГУ им. М.В. Ломоносова академика РАН В.А. Садовничего и посвяшена

250-летию Московского университета

КЛАССИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТСКИЙ УЧЕБНИК

Редакционный совет серии

Председатель совета ректор Московского университета В.А. Садовничий

Члены совета:

Виханский 0. С, Гол иченков А. К., Гусев М. В., Добренькое В. И., Донцов А. И., Засурский Я. Н., Зинченко Ю. П. (ответственный секретарь), Камзолов А. И. (ответственный секретарь), Карпов С. П., Касимов Н. С, Колесов В. П., Лободанов А. П., Лунин В. В., Лупанов 0. Б., Мейер М.С., Миронов В. В. (заместитель председателя), Михалев А. В., Моисеев Е. И., Пушаровский Д. Ю., Раевская О.В., Ремнева М.Л., Розов Н.Х., Салецкий А. М. (заместитель председателя), Сурин А. В., Тер-Минасова С. Г., Ткачук В. А., Третьяков Ю.Д.Друхин В. И., Трофимов В.Т. (заместитель председателя), Шоба С. А.

Московский государственный университет имени М. В.Ломоносова

ГЕОИНФОРМАТИКА

Под редакцией проф. В.С.Тикунова

Лопушено

Министерством образования и науки Российской Фелераиии в качестве учебника лля стулентов высших учебных завелений,

Москва «Академия» 2005

обучающихся по специальностям 012500 «География», 013100 «Приролопользование», 013600 «Геоэкология», 351400 «Приклалная информатика (по областям

УДК 91(075.8) ББК 26.8я73 Г35

Печатается по решению Ученого совета Московского университета

Авторы:

Е.Г.Капралов, А.В.Кошкарев, В.С.Тикунов, В.В.Глазырин, А.В.Заварзин,

С.С.Замай, И.К.Лурье, В.А.Охонин, В.И.Пырьев,  И.А.Рыльский, В.И.Семин, Б.Б.Серапинас, А.В.Симонов, А.М.Трофимов, М.Э.Флейс, О.Э.Якубайлик, В.Б.Яровых

Рецензенты: д-р техн. наук, проф., акад. РАН В.Г.Бондур; д-р техн. наук, проф. Д. В.Лисицкий; д-р геогр. наук, проф. В. 3. Макаров

Геоинформатика: Учеб. для студ. вузов / Е.Г.Капралов, Г35 А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов и др.; Под ред. В. С. Тикунова.М.: Издательский центр «Академия», 2005.с, [8] с. цв. ил.: ил. (Классический университетский учебник) ISBN 5-7695-1924-Х

В учебнике освещены общие вопросы геоинформатики, функциональные возможности географических информационных систем (ГИС), принципы проектирования, интеграции данных и технологий, особенности интеллектуализации ГИС и систем поддержки принятия решений. Вместе с учебным пособием «Сборник задач и упражнений по геоинформатике», дополненным компакт-диском, составляет учебный комплект.

Для студентов экологических, географических, геологических и других специальностей, изучающих и использующих географические информационные системы.

УДК 91(075.8) ББК 26.8я73

© Коллектив авторов, 2005

© Образовательно-издательский центр «Академия», 2005
ISBN 5-7695-1924-Х © Оформление. Издательский центр «Академия», 2005

Уважаемый читатель!

Вы открыли одну из замечательных книг, изданных в серии «Классический университетский учебник», посвященной 250-летию Московского университета. Серия включает свыше 150 учебников и учебных пособий, рекомендованных к изданию Учеными советами факультетов, редакционным советом серии и издаваемых к юбилею по решению Ученого совета МГУ.

Московский университет всегда славился своими профессорами и преподавателями, воспитавшими не одно поколение студентов, впоследствии внесших заметный вклад в развитие нашей страны, составивших гордость отечественной и мировой науки, культуры и образования.

Высокий уровень образования, которое дает Московский университет, в первую очередь обеспечивается высоким уровнем написанных выдающимися учеными и педагогами учебников и учебных пособий, в которых сочетаются как глубина, так и доступность излагаемого материала. В этих книгах аккумулируется бесценный опыт методики и методологии преподавания, который становится достоянием не только Московского университета, но и других университетов России и всего мира.

Издание серии «Классический университетский учебник» наглядно демонстрирует вклад, который вносит Московский университет в классическое университетское образование в нашей стране, и, несомненно, служит его развитию.

Решение этой благородной задачи было бы невозможно без активной помощи со стороны издательств, принявших участие в издании книг серии «Классический университетский учебник». Мы расцениваем это как поддержку ими позиции, которую занимает Московский университет в вопросах науки и образования. Это служит также свидетельством того, что 250-летний юбилей Московского университетавыдающееся событие в жизни всей нашей страны, мирового образовательного сообщества.

В. А. Садовничий

Ректор Московского университета академик РАН, профессор

Введение

В науках о Земле и обществе, имеющих дело с пространственными данными, сложилась интересная ситуацияинформационный «взрыв» соседствует с информационным «голодом». Часть специалистов сетует на ограниченность сведений, что ведет к упрощению описаний, гипотетичности исследований, их некондиционности и т.д., другие, наоборот, не успевают переработать горы материала. Парадокс? Вряд ли, скорее объективная картина стихийно сложившейся реальности. Даже располагая определенными данными, рационально ли мы ими распоряжаемся и используем их? К сожалению, в большинстве случаев нет. Сложно получить сведения об уже накопленных материалах, затруднен обмен и доступ к нимведомственные и даже личные барьеры, режимные ограничения и неупорядоченность данных препятствуют рациональному и эффективному использованию информационных ресурсов.

В настоящее время во многих вузах страны открыты кафедры со специализациями по геоинформатике; экологам, географам, геологам, почвоведам и другим студентам, изучающим дисциплины не только о Земле, но и об обществе, читается курс «Геоинформатика». Более того, стали появляться не только специализированные средние учебные заведения, но даже общеобразовательные школы. В одной из таких школ (N° 8 г. Ханты-Мансийска) создан Межшкольный центр развития геоинформационных технологий. Опубликована серия учебников и учебных пособий (дополняемых рядом монографических изданий, материалов конференций), но, несмотря на это, издания, которое бы охватывало практически все современные аспекты геоинформатики, до настоящего времени в России нет.

Поставленные цели требовали от авторов достаточно систематического изложения материала, причем не только преподавателями, но и практиками, что побудило привлечь к написанию учебника большое количество ведущих специалистов из самых различных областей науки, производства. Для более детального ознакомления с материалом можно обратиться к учебному пособию «Основы геоинформатики» [Е.Г.Капралов, А.В.Кошкарев, В.Тику-нов и др., 2004]'.

Здесь и далее рекомендуемая литература выделена полужирным шрифтом.

Учебник состоит из пяти глав. Первая вводит читателя в сферу геоинформатики и начинается с понятия о географических информационных системах (геоинформационных системах, ГИС). Представление о ГИС как об информационных системах, оперирующих пространственно-координированными (пространственными, географическими) данными, уже давно и достаточно прочно вошло в научный обиход. Но логика изложения материала с использованием конкретных примеров позволяет понять технику проектирования ГИС, представить их функциональные возможности и внутреннее устройство, а главноеубедиться в практической целесообразности решения многих практических задач в среде ГИС. Далее изложение следует по установившейся традиции классификации ГИС по разным основаниям, включая пространственный (пространственно-временной) охват, предметную область информационного моделирования, проблемную ориентацию, их структурно-функциональные и прикладные особенности.

Этих первоначальных сведений о ГИС оказывается достаточно для того, чтобы в следующем подразделе обсудить существо геоинформатики как науки, технологии и индустрии, определить ее предмет и метод, место в системе наук, направления взаимодействия с другими науками и технологиями, подчеркнуть ее роль интегратора всех иных геотехнологий, подробно остановившись на отношениях геоинформатики и картографии как двух самодостаточных, альтернативных и взаимодополняющих средств пространственного моделирования реальности. Теория и методология геоинформатики, еще не вполне сформировавшиеся, в существенной мере покоятся на обобщении и осмыслении эмпирического опыта внедрения геоинформационных технологий в самые разнообразные сферы человеческой деятельности. В этом плане важна краткая характеристика истории становления геоинформатики с ее периодами роста, разочарований, смены приоритетов и формирования теоретической базы, методологии, сфер приложения и т.д.

Во второй главе изложены функциональные возможности важнейших технологических блоков ГИС. В первом подразделе главы приведены сведения о регистрации, вводе и хранении данных, характеристике средств формирования баз данных, создании систем управления ими. В деятельности, связанной с использованием пространственно-координированных данных, традиционно применяются литературные, статистические, картографические, аэро-и космические материалы. Их подборка, систематизация, накопление, хранение и обработка для последующего использования осуществляются, как правило, в машинной среде.

Модели пространственных данныходин из ключевых подразделов второй главы. Модель данныхэто свод правил, по которым конструируются сложные пространственные объекты из более простых или элементарных, иначеязык описания пространственных данных. Среди множества моделей (представлений) можно выделить базовые, «канонические», проверенные временем и реализованные в подавляющем большинстве современных программных средств ГИС. Это векторные, растровые, регулярно-ячеистые и квадротомические. Современная практика предлагает множество вариантов канонических моделей, ведутся эксперименты с их многомерными расширениями. Большие перспективы сулит объектно-ориентированный подход к моделированию пространственных данных. Рассмотрены модели аналого-цифрового преобразования данных, состоящие из трех крупных блоков: цифрования, обеспечения качества оцифрованных материалов и интеграции разнородных цифровых материалов. Охарактеризованы базы и банки данных, а также системы управления ими.

Во втором подразделе представлены операции, связанные с анализом пространственно-временных явлений. Это прежде всего функции организации выбора объектов по тем или иным условиям, функции редактирования структуры и информации в базах данных, функции картографической визуализации, картометри-ческие функции, функции построения буферных зон, анализа наложений, функции сетевого анализа и др. Здесь же кратко рассмотрены многообразные аспекты специализированного анализа, например, ориентированного на вопросы геологии или географии: метод размытых (нечетких) множеств, нейронных сетей, теория хаоса, катастроф, фрактальный анализ. Особое место, ввиду важности для многих наук о Земле, имеющих дело с пространственно-координированными данными, занимают методы классификаций, поэтому они выделены в специальный подраздел.

К особой группе геомоделирующих функций ГИС также принято относить цифровое моделирование рельефа (ЦМР). Опыт создания и использования ЦМР, наследующий традиции и методики ранних этапов развития геоинформатики и автоматизированной картографии, богат примерами решения разнообразных научных и научно-прикладных задач, в том числе на основе ЦМР национального масштаба. Многоцелевое использование ЦМР основано на функциях их обработки программными средствами ГИС и включает расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона и экспозиций склонов), оценку формы склонов, экстракцию из ЦМР сети тальвегов и водоразделов и иных структурных элементов, оценку зон видимости/невидимости, построение трехмерных изображений. Завершает блок материал по математико-картографическому моделированию в рамках информационных технологий. Этот вид моделирования позволяет органически комплексировать математические и картографические модели в системе «создание-использование карт» для конструирования или анализа тематического содержания карт.

Охарактеризована методика создания элементарных и сложных (цепочкообразных, сетевых и древовидных) математико-картографических моделей.

Третий подраздел второй главы касается вывода и документирования результатов обработки данных. Здесь прежде всего рассматриваются методы картографической визуализации. Разумеется, программные средства ГИСдалеко не самый лучший (эффективный, дешевый и удобный) инструмент для производства карт, наследующих принципы и традиции «докомпьютерного» этапа картосоставления и картоиздания. Для этих целей разработаны и с большим успехом применяются автоматизированные картографические системы, системы настольного картографирования и графические редакторы. В данном блоке помещены также материалы о нетрадиционных формах визуализации, в первую очередь об анаморфозах. Рассмотрены методы создания линейных, площадных и объемных анаморфоз. Очень важны и наглядны виртуально-реаль-ностные изображения, позволяющие имитировать облеты, объезды территории на виртуальном самолете, вертолете, автомобиле в реальном времени, совершать движения в какой-либо среде (например, погружение под воду с имитацией эффектов освещения и динамики движения) и т.д. Завершают главу анимации карт, анаморфоз и виртуально-реальностные изображения. Анимации развития явлений в пространстве и во времени позволяют отображать процессы их эволюции и др.

В третьей главе изложены способы интеграции методов дистанционного зондирования и спутникового позиционирования в геоинформационной среде. Охарактеризованы сетевые технологии и комплексные мультимедийные системы в трех ракурсах: как идея, т.е. способ хранения, организации и передачи информации различного типа; как оборудование, которое позволяет работать с информацией различной природы и доставлять ее потребителю и, наконец, как продукт, составленный из данных всевозможных типов, объединенных общей идеей и представляющий интерес для конечного пользователя.

Четвертая глава посвящена аспектам интеллектуализации геоинформатики. ГИС все чаще стали применяться в качестве инструментария, позволяющего более объективно принимать решения в самых разных областях человеческой деятельности, что привело к интеллектуализации геоинформатики. Геоинформатика стала также средством получения новых знаний в целом ряде наук. Здесь прежде всего рассмотрены экспертные системы и нейросети. Важнейшее практическое приложение методов искусственного интеллекта происходит через формирование систем поддержки принятия решений. Они позволяют обеспечить моделирование альтернативных решений на разных этапах, их анализ и выбор вариантов, удовлетворяющих поставленным условиям.

В пятой, завершающей, главе характеризуются требования и этап-ность проектирования ГИС. Разработка любой геоинформационной системысложный процесс, включающий определение целей ее создания, задач, решаемых с помощью системы, структуры системы, организацию данных, подбор программного обеспечения, создание организационных механизмов накопления и использования информации и т. п. Кратко проанализированы организационные аспекты, а также инфраструктуры пространственных данных (ИПД). Здесь читатель познакомится с одной из наиболее примечательных и многообещающих тенденций развития прикладной геоинформатики на рубеже веков, еще раз иллюстрируя большую интегрирующую и системообразующую роль геоинформационных технологий в пространственно-информационном обустройстве крупных территорий. Национальные инициативы ряда стран рассматриваются как часть более общего процесса глобализации геоинформационных ресурсов и индустрии, обозначенной в проекте Глобальной ИПД. Завершает учебник краткий обзор опыта реализации геоинформационных проектов от глобального до локального уровня.

Учебник дополняется «Сборником задач и упражнений по геоинформатике», который позволит закрепить пройденный материал и овладеть практическими навыками работы с геоинформационными системами. Он будет дополнен компакт-диском с иллюстрациями, воспроизведение которых возможно только в электронной среде, и с материалом, необходимым для выполнения практических упражнений.

Предисловие, подразд. 1.1 и 1.3 написаны А. В. Кошкаревым и В. С. Тикуновым; подразд. 1.2, 5.2, 2.1.2 и 2.3.1А. В. Кошкаревым; подразд. 2.2.3А.В.Кошкаревым и Е.Г.Капраловым; подразд. 5.1, 5.3 и 2.1.1Е.Г.Капраловым и В.С.Тикуновым; подразд. 2.1.3В.Б.Яровых, М.Э.Флейс и А.В.Кошкаревым; подразд. 3.1 и 2.1.4И.К.Лурье; подразд. 2.2.1Е.Г.Капраловым, В. С. Тикуновым и А. М. Трофимовым; подразд. 2.2.2А. В. Завар-зиным и В. С. Тикуновым; подразд. 2.2.4 и 2.3.2В. С.Тикуновым; подразд. 2.3.3И.А.Рыльским; подразд. 2.3.4И. А. Рыльским и В. С. Тикуновым; подразд. 3.2Б.Б.Серапинасом; подразд. 3.3А.В.Симоновым; подразд. 3.4В.И.Семиным и В.С.Тикуновым; подразд. 4.1В.В.Глазыриным, В. С.Тикуновым и О.Э.Якубай-ликом; подразд. 4.2С. С. Замаем, В.А.Охониным и О.Э.Якубай-ликом; подразд. 4.3В. И. Пырьевым.

В подбор материала и организационную работу с авторами книги, а также в обсуждении учебника большой вклад внесла ГИС-Ассоциация (www.gisa.ru; www.gisa.gubkin.ru).

Замечания и пожелания по совершенствованию учебника можно сообщить редактору книги В.С.Тикунову по адресу: 119992, Москва, МГУ, Географический факультет.

Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В ГЕОИНФОРМАТИКУ

1.1. Понятие географической информационной системы

Появление географических информационных систем относят к началу 60-х годов XX в. Именно тогда появились предпосылки и условия для информатизации и компьютеризации сфер деятельности, связанных с моделированием географического пространства и решением пространственных задач. Их разработка связана с исследованиями, проведенными университетами, академическими учреждениями, оборонными ведомствами и картографическими службами.

Впервые термин «географическая информационная система» появился в англоязычной литературе и использовался в двух вариантах, таких, как geographic information systemu geographical information system, очень скоро он также получил сокращенное наименование (аббревиатуру) GIS. Чуть позже этот термин проник в российский научный лексикон, где существует в двух равнозначных формах: исходной полной в виде «географической информационной системы» и редуцированной в виде «геоинформационной системы». Первая из них очень скоро стала официально-парадной, а вполне разумное стремление к краткости в речи и текстах сократило последнюю из них до аббревиатуры «ГИС».

Очень кратко ГИС определялись как информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях. Более полное определение ГИС будет приведено далее после введения основных понятий геоинформатики. Прежде всего обратимся к базовым категориямданным, информации и знаниям, которые были использованы при определении ГИС.

1 Краткое толкование этих терминов, здесь и далее выделяемых курсивом, можно найти в списке терминов, приведенном в конце книги.

Термины «данные», «информация» и «знания»1 стали общеупотребительными, постоянно встречаясь в газетах, теле- и радиопередачах, научных и научно-популярных публикациях. Смысл их кажется предельно ясным, и они легко заменяются не только в быту, но и науке такими словами, как «сообщения», «сведения», «сигнал», «материалы» и др. При этом не обращают внимания на то, что эти понятия, имея много общего, заметно разнятся по своей сути.

Под «данными» будем понимать совокупность фактов и сведений, представленных в каком-либо формализованном виде (в количественном или качественном выражении) для их использования в науке или других сферах человеческой деятельности. Иначе говоря: «Данные соответствуют дискретным зарегистрированным фактам относительно явлений, в результате чего мы получаем информацию о реальном мире... Слово «данные» происходит от латинского «datum», буквально означающего «факт». Тем не менее данные не всегда соответствуют конкретным или действительным фактам. Иногда они неточны или описывают нечто, не имеющее место в реальной действительности (идею). Будем называть «данными» описание любого явления (или идеи), которое представляется достаточно ценным для того, чтобы его сформулировать и точно зафиксировать» [Д. Цикритзис, Ф.Лоховски, 1985.С. 16-17].

Применительно к характеризуемой нами сфере «данные» можно рассматривать и определять в трех контекстах: вне автоматизированной среды использования, внутри ее и в среде ГИС. В первых двух контекстах под «данными» понимаются либо факты, некие известные вещи (из которых могут быть выведены заключения), либо сведения, подготовленные для компьютерной обработки. Под «данными» в среде ГИС понимаются «объекты о явлениях реального мира; результаты наблюдений и измерений этих объектов. Элемент данных содержит три главные компоненты: атрибутивные сведения, которые описывают сущность (семантику), характеристики, переменные, значения и тому подобные его квалификации; географические сведения, характеризующие его положение в пространстве относительно других данных; временные сведения, описывающие момент или период времени, для которого предоставляются данные» [The 1990-GIS Sourcebook, 1990.Р. А10]. «Данные», по определению М. Конечного и К. Раиса [М. Копеспу, K.Rais, 1985], выступают как сырье, которое путем обработки можно превратить в информацию, т.е. данныеэто как бы строительный элемент в процессе создания информации. Они рассматриваются как объект обработки и основа для получения информации.

В практическое понимание «информации» в настоящее время в основном включаются «процессы обмена разнообразными сведениями между людьми, человеком и автоматомактуальная информация, процессы взаимодействия объектов неживой природыпотенциальная информация, степень сложности, организованности, упорядоченности той или иной системы» [Краткий словарь..., 1979.С. 114 —]. Такое понимание основывается на существовании в современной науке нескольких парадигм, которые с разных сторон стараются объяснить факты и явления информационного порядка. Кратко рассмотрим основные из них.

К первой (по времени возникновения) надо отнести теорию К.Шеннона, согласно которой количество информации определяют по формуле

п

ы\

где /количество информации; р, —вероятность появления /-го сигнала; п —количество всех возможных сигналов. У этой теории есть значительный недостатокона не учитывает содержательную сторону информации. Как отмечал Л.Бриллюен: «совокупность из 100 букв, выбранных случайным образом..., фраза в 100 букв из газеты, пьесы Шекспира или теоремы Эйнштейна имеют в точности одинаковое количество информации» [Л.Бриллюен, 1960. - С. 29].

Сторонники других (физических) концепций считают, что информацияфундаментальная категория (понятие) [Д. И. Блюме-нау, 1989.С. 15], т.е. такая же основа мироздания, как вещество или энергия. Подобные воззрения характерны, например, для Н. Винера: «...информация есть информация, а не материя и не энергия» (цит. по [М.Мазур, 1974.С. 18]).

Также по-разному представляют основные принципы понятия «информация» и философы. По мнению одних, информация существует лишь при коммуникативных процессах с участием человека [Д. И. Блюменау, 1989]. Другие полагают существование и потенциальной информации (при взаимодействии между собой объектов неживой природы) [Краткий словарь..., 1979.С. 114—].

Необходимо отметить, что количество концепций и парадигм довольно велико. Тем не менее складывается парадоксальная ситуацияразработаны количественные методы вычисления информации, имеется множество определений понятия «информация», но при этом существующие теории не дают адекватного, качественного понимания ее смысловой сущности, когда производят расчет количества информации. Иными словами, количественная сторона проблемы относительно развита, но не обеспечена качественным пониманием объекта вычисления.

В чем же все-таки заключается проблема определения и понимания информации? Исходя из принципа Винера, предположим, что информация действительно присуща всему в нашем мире. В подтверждение того, что информация может быть по значению сравнима с веществом и энергией, приведем следующие аналогии [К. В. Бердников, В.С.Тикунов, 1992].

  1.  Информацию, как и вещество, и энергию, можно передавать и принимать, накапливать, использовать.
  2.  Предположим также, что существование информацииобъективно, не зависит от наших знаний, а восприятиесубъективно и определяется умением пользоваться той или иной знаковой системой (или хотя бы знаниями о ее существовании).
  3.  Физические объекты и явления (например, материальное тело) имеют множество характеристик: высота, длина, плотность, упругость, масса, вес и т.д., но нет одной, универсальной. Можно предположить, что и информация может описываться самыми разнообразными характеристиками и нельзя ограничиваться только вычислением ее количества.
  4.  Вполне вероятно (пока это не более чем гипотеза) наличие двух основных законов: а) закона сохранения информации, который должен формулироваться аналогично законам сохранения массы и энергии; б) закона взаимодействия двух объектов, обладающих информацией (возможно, он будет иметь такую же алгебраическую формулу, как и законы Ньютона и Кулона).

Анализируя и обобщая многие определения информации, сделаем следующий вывод-определение: информациявсе, что может быть сообщено. При этом основное различие внутри этого понятия состоит не в информации живой (и неживой) природы и человека, а в существующей (наличествующей) и передаваемой информации. Существующая информациясведения, которые можно сообщить о каком-то объекте (явлении), некоторое подобие потенциальной энергии. Передаваемая информациясообщаемые по каналу информации сведения, это в определенной степени аналог кинетической энергии (рис. 1). Хотя потенциальная энергия Ер может перейти полностью в кинетическую ЕКУ а существующая информация по-иному связана с передаваемой, все же некоторая аналогия между энергией и информацией просматривается. Передаваемая информация зависит от более или менее удачно подобранных знаковых систем и отдельных знаков, существующая же информация объективна и определяется только тем объектом

или явлением, в котором заключена.

Перейдем теперь к понятию «знание».
Определений «знания» также много, как
и определений
«информации». Так,
Л.Бриллюен считает, что информация
отлична от знания,
«для которого у нас
нет количественной меры
» [Л.Бриллюен,
.С. 30]. Д.И.Блюменау приводит
(!)
определений понятия «знание» раз-
Рис. 1. Переход потенци-   личных авторов, и сам определяет инфор-
альной энергии в кине-   мацию как знание, включенное непосред-
тическую ственно в коммуникативный процесс

[Д. И. Блюменау, 1989.С. 28]. Последнее предложение необходимо дополнить: включенное субъективно в субъективный процесс, т.е. знанияэто интерпретация информации. Однако интерпретация в известном смысле не ограничивается знанием и этот ряд полностью будет, вероятно, выглядеть следующим образом: информациязнаниемысль (гипотеза).

«Знания» в философском их пониманииотражение семантических аспектов окружающей действительности в мозгу человека или даже в технической системе ( подробнеесм. 4.1). Отметим также историческую последовательность привлечения данных, информации и знаний в геоинформатике. Так, вначале появились банки данных, позднее оформились географические информационные системы и, наконец, появились системы, основанные на знаниях,интеллектуальные системы.

Возвращаясь непосредственно к геоинформационным системам, важно подчеркнуть их способность хранить и обрабатывать пространственные, или географические, данные, что и отличает ГИС от иных информационных систем. Распространено мнение, утверждающее тождественность понятий «географические информационные системы» и «пространственные (пространственно-координированные, пространственно распределенные) информационные системы», т.е. слово «географические» в данном контексте имеет смысл не обозначения науки, а характеристики пространственно-сти. При таком подходе нельзя поставить в один ряд с географическими системами геологические, геофизические и другие системы, что также встречается в литературе. Они все являются пространственными, а следовательно, и географическими. Естественно и то, что ГИС объединяет в единую систему пространственную информацию и информацию других типов для решения пространственных задач.

Прежде чем дать развернутое определение ГИС, используя изложенные выше положения, приведем два примера, раскрывающих некоторые возможности этих систем. Они связаны с решением двух типов задач, требующих от информационной системы наличия тех или иных функций. Функциональные возможности ГИС, их «функциональность» и составляют суть ГИС. По ходу изложения мы будем вынуждены ввести около трех десятков незнакомых или не очень знакомых пока терминов. Подробно они будут истолкованы в последующих главах учебника.

Пример 1. Российская семья решила купить дом. Агентство по торговле недвижимостью, в которую она обратилась, располагая всеми данными о домах, выставленных на продажу, должна выбрать один или несколько вариантов покупки, удовлетворяющих требованиям покупателя: стоимость не более 1,5 млн руб., этажность не выше двух, земельный участок при доме не менее 20 соток, не далее 3 км от центра города, ближайший торговый центр не далее 5 мин езды на автомобиле, не ближе 100 м от крупных автомагистралей, не в Южном округе города с дурной славой криминальной окраины, желательно в западной его части с малоэтажной застройкой и хорошей экологией.

Запрос к базе данных Агентства позволит без труда выбрать все домовладения по трем первым критериям (к ним семья может добавить наличие бассейна, сауны и камина и т.д.), однако с остальными условиями стандартная система управления базами данных (СУБД) справиться не сможет. Некоторый особый механизм должен обеспечить обработку пространственных запросов, наличие или возможность порождения пространственных атрибутов дома как пространственного объекта. Это означает, что дома и иные объекты должны быть описаны их положением в пространстве (в терминах географических или иных координат, в крайнем случаев форме их почтового адреса) и взаимными пространственными отношениями, а информационная система продавца должна уметь выполнять, среди всего прочего, пространственный анализ.

Достаточно просто подыскать дом в центре: функция пространственного запроса любой ГИС обеспечит выборку искомых объектов в круглом «окне» в пределах трехкилометровой зоны от официального центра города (почты, центральной площади, специального монумента) или центра тяжести занимаемой им территории (центроида), вычислив координаты геометрического центра фигуры и расстояния. Оценка близости дома к торговым центрам потребует данных о положении этих объектов, дорогах, прилегающих территориях и планировке города вообще, а также алгоритма расчета оптимального (наикратчайшего) пути, который должен быть среди группы функций анализа сетей. Предполагая, что все автомагистрали уже известны, необходимо выделить наиболее шумные и загазованные, построить вдоль них буферные зоны на удалении 100 м от края обочины и отбросить варианты покупки дома внутри этих зон. Наконец, нежелание жить в некотором административном округе означает исключение домов-претендентов внутри области, описанной его границами, что требует знания административного деления города, а предпочтение проживать в западном районе предполагает оконтуривание того, что считается «западом». Для этого покупателю должна быть дана возможность «нарисовать» свой «запад» на видеоэкранной, или, как ее еще называют, электронной, карте города. Впрочем, продавцы недвижимости могут сами продемонстрировать наиболее экологически безопасные и комфортные зоны, обратившись к схеме оценки состояния окружающей среды, заимствованной в местной экологической службе путем преобразования, т.е. конвертирования форматов данных: экспорта из формата ее системы и импорта в свою.

Таким образом, Агентству по торговле недвижимостью необходимо располагать базой данных о продаваемых объектах недвижимости со стандартными, непространственными атрибутами и слоями ГИС с цифровыми представлениями пространственных объектов и феноменов реальности (земельных участков, домов, дорог, супермаркетов, административных образований, зон экологической комфортности), называемых информационным обеспечением ГИС, функциями ГИС, поддерживаемыми соответствующим программным обеспечением: импорт данных из других систем, расчет расстояний (в проекции карты или на поверхности земного эллипсоида), вычисления координат центроида, обработку пространственных запросов, расчет буферных зон относительно линейных, точечных и контурных объектов, оценку принадлежности объекта (точки) полигону (внутренней области), анализ сетей (поиск оптимального пути).

Хранение информации и ее обработка предполагают наличие высокопроизводительного компьютера (персонального, или рабочей станции), который вместе с другими техническими устройствами, необходимыми для реализации функций системы, образует аппаратное обеспечение ГИС.

Итогом работы будет адрес искомого строения или список адресов домов-претендентов на покупку (иначе говоря, множество, возможно пустое, пространственных объектов).

Пример 2. Глава администрации некоторого города N, озабоченный идеей развития альтернативной энергетики (нетрадиционных возобновляемых энергоисточников), решил установить на его территории и в ближайшем предместье М крыльчатые ветроэнергоустановки —«ветряки».

Задача выбора мест их установки является типично оптимизационной: максимальная выработка электроэнергии при фиксированных финансовых средствах в условиях архитектурно-строительных, конструктивных и природоохранных ограничений. Ее решение средствами ГИС возможно осуществить в два этапа: 1) исключить из числа потенциальных строительных площадок все, не удовлетворяющие перечисленным ограничениям; 2) внутри допустимой зоны выбрать заданное множество точек, обозначающих места возведения энергоустановок при фиксированной (установленной) их мощности, а также с учетом того, что в условиях холмистого, хорошо расчлененного предгорного ландшафта городской территории мощность, а следовательно, и выработка энергии будут существенно зависеть от мезоклиматических условий, в данном случае ветрового режима, в свою очередь определяемого рельефом.

Как и в первом, примере, проектировщикак^понадобятся разнообразные пространственные данные о городской территории. Работу разумно начать с создания цифровой карты города, вернее его крупномасштабного цифрового плана. Для этого необходимо выполнить цифрование набора листов «бумажных» топографических планов (топопланов), например с помощью дигитайзера (цифрователя). Еще разумнее такую карту-основу (топооснову) приобрести уже готовой у организации, которая не только уже однажды оцифровала исходный источник, но и ведет его текущее обновлениетопографический мониторинг, что обеспечивает ее актуальность. Скорее всего, набор элементов содержания топографического источника будет избыточен, и в цифровом варианте он будет разгружен, а часть необходимых объектов придется дооцифровывать по другим материалам. Так или иначе, в итоге у разработчиков должен быть в наличии набор слоев ГИС, необходимых для решения задачи.

Первый его этап, как отмечалось выше, это исключение территорий, где сооружение ветроэнергоустановок по тем или иным причинам невозможно по архитектурным или строительным соображениям (на крышах домов, автомагистралях, водоемах, территориях парков, стадионов и т.п.). Процедура исключения может быть представлена как последовательное вычитание из слоя «внутренняя область в пределах границы города» слоев объектов, представляющих земельные участки с запретом на их строительство. В итоге будет получен новый слой с допустимыми и недопустимыми для строительства зонами (контурами, областями, полигонами).

Слой допустимых для установки зон значительно «сожмется», когда придется учесть необходимость сооружения массивных фундаментов опор, которые должны находиться вне трасс и зон отчуждения подземных инженерных коммуникаций: дождевых и канализационных стоков, водопровода, теплоснабжения, телефонных, оптоволоконных и силовых кабелей, трубопроводов, перенос которых мог бы привести к значительному повышению стоимости строительства. Для этого потребуется цифровой план подземных инженерных коммуникаций, построение буферных зон относительно каждой коммуникации (см. пример 1), логическое вычитание набора соответствующих слоев из общего слоя допустимых для строительства зон.

Исходный цифровой топографический план лишен большинства элементов, представляющих подземные и надземные инженерные коммуникации, за планами их размещения придется обратиться в соответствующие муниципальные службы.

Зона потенциально допустимых мест дислокации установок еще более уменьшится, когда на следующем этапе предпроектных разработок проектировщики будут вынуждены учесть экологические требования к их размещению, а именно к шумовому загрязнению среды, в особенности низкочастотному. Используя федеральные санитарные и строительные нормы и правила, необходимо выбрать все объекты, по отношению к которым они могут быть применены: жилые дома, здания школ, офисов и других сооружений, построить относительно выбранного множества объектов буферные зоны, соответствующие ширине санитарно-защитных зон, и еще раз исключить полученные таким образом территории из числа потенциально пригодных для строительства.

Последовательное вычитание потенциально непригодных для строительства площадок осуществляется с помощью операции, которая носит название оверлея (наложения) слоев.

Для выбора в пределах итогового слоя конкретных М площадок на втором этапе решения задачи необходимо создать и реализовать имитационную климатическую модель ветрового режима в пределах городской территории с хорошо расчленным, как было предположено ранее, рельефом. Скорее всего, такая модель уже существует и применяется в решении аналогичных задач, например, для оценки распространения загрязнений атмосферы от точечных источников выбросов. Программное обеспечение ГИС должно допускать возможность встраивания в нее таких моделей, используя языки программирования высокого уровня или собственные средства макропрограммирования. Для решения задачи понадобятся данные о рельефе территории, а именно цифровая модель.рельефа (ЦМР). Она может быть получена из слоя горизонталей исходной цифровой топо-основы. Последовательный перебор всех точек в пределах слоя допустимых для строительства ветроэнергоустановок с оценкой их возможной производительности в рамках некоторой оптимизационной модели позволит получить искомый набор площадок. Привлеченные на последнем этапе решения задачи модели являются моделями с распределенными параметрами, а сама процедура их реализации в рамках ГИС носит название геомоделирования, или пространственного моделирования.

Итогом решения задачи, как и в первом примере, будет список, включающий координаты множества проектируемых ветроэнергоустановок, вполне достаточный для подрядной строительной организации, которая выиграет тендер на реализацию проекта. Карта их размещения, построенная с привлечением функций картографической визуализации данных в ГИС, тоже, возможно, пригодится, но уже для других целейпроиллюстрировать на телевидении заботу администрации о горожанах накануне очередных выборов, не преминув при этом отметить смекалистость горожан, ставивших несколько веков назад ветряные мельницы точно в тех местах, которые были определены с помощью ГИС.

Два приведенных примера иллюстрируют возможности ГИС как инструмента для решения пространственных задач. Множество задач, решаемых современными ГИС,научных, прикладных, образовательных, наконец, бытовых,не поддается исчислению, складываясь из необозримого числа достойных внимания и описания объектов реальности, помноженных на разнообразие мотивов и целей человеческой деятельности.

При всем многообразии типов ГИС возможна их классификация по нескольким основаниям: пространственному охвату, объекту и предметной области информационного моделирования, проблемной ориентации, функциональным возможностям, уровню управления и некоторым другим критериям.

По пространственному охвату различают глобальные, или планетарные, ГИС, субконтинентальные, национальные (зачастую имеющие статус государственных), межнациональные, региональные, субрегиональные и локальные (местные), в том числе муниципальные, и ультралокальные ГИС.

ГИС способна моделировать объекты и процессы, локализованные или протекающие не только на суше (территории), но и на акваториях морей, океанов и внутренних водоемов. Средства ГИС давно и успешно используются в морской навигации.

Гораздо менее известны системы, распространяющие область своего влияния на воздушное пространство (аэроторию); это авианавигационные системы, системы планирования и выполнения аэросъемок и решения других задач, связанных с воздухоплаванием и др.

Наконец, для обеспечения деятельности в космическом пространстве ГИС способна решать задачи баллистики и управления полетами и другими передвижениями и действиями космических аппаратов, изучения внеземных объектов.

Состав (объектовый состав) и структура данных ГИС определяются объектами информационного моделирования, какими являются как собственно феномены реальности (лес, земля, вода, население, хозяйство), так и процессы (наводнения, загрязнение окружающей среды, миграционные процессы), а также нематериальные объекты, или идеи.

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования; среди предметно-ориентированных, как правило, ведомственных ГИС бывают природоохранные ГИС, земельные информационные системы (ЗИС), городские, или муниципальные, ГИС (МГИС), ГИС для целей предотвращения и локализации последствий чрезвычайных ситуаций (ГИС для целей ЧС) и др.

Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней научными и прикладными задачами. Они могут быть выстроены в ряд по мере усложнения и наращивания возможностей управления моделируемыми объектами и процессами: инвентаризация (кадастр, паспортизация) объектов и ресурсов, анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.

Классификация ГИС по их функциональности связана с программным обеспечением ГИС и будет подробно рассмотрена далее. Пока же уместно выделить самые общие функции ГИС, вынесенные в ее определение выше: это получение данных, их ввод в компьютерную (точнее цифровую среду), хранение (в том числе обновление, или актуализация), обработка, вывод (например, в форме карт), распространение и использование данных, включая принятие решений на их основе. Классическая схема функций ГИС, предложенная «патриархом» канадской и мировой геоинформатики Р.Томлинсоном и неоднократно воспроизведенная в отечественных и зарубежных монографиях и учебниках, приведена на рис. 2. Соответственно этим обобщенным функциям выделяются структурные единицы ГИС: ее подсистемы (блоки, модули), включая подсистему ввода и т.д.

Известна также классификация ГИС по уровню управления. Например, в зависимости от уровня органов государственного управления, использующих ресурсы геоинформационной системы, различают ГИС федерального, регионального и специального назначения, причем под последними понимаются системы, используемые для обслуживания информационных потребностей конкретных отраслей народного хозяйства.

ГИС как системы проектируются, создаются и эксплуатируются в комплексе составляющих их компонентов (блоков, подсис-

 .      , ,       1 *      I 

Наблюдение -Измерение      Описание -*■ Объяснение —*■ Предсказание     Решение

і       ; 1 :     

1

1

1

1                   1 1         '              1

СБОР ОБРАБОТКА       КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПРОЦЕСС

ДАННЫХ ДАННЫХ    И ФОРМАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ПРИНЯТИЯ

АНАЛИЗА ДАННЫХ РЕШЕНИЯ

Рис. 2. Функции географической информационной системы

тем, функциональных модулей), обеспечивающих функциональную полноту, адекватную решаемым задачам, возможность расширения функций и модификации системы.

Реализация ГИСмногоэтапный процесс, включающий исследование предметной области и требований пользователя к системе, ее технико-экономическое обоснование (анализ соотношения «затратыприбыль»), системное проектирование, детальное проектирование на уровне научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, тестирование и прототипирование, опытную и штатную эксплуатацию.

При рассмотрении объектов информационного (геоинформационного) моделирования в ГИС предполагалась достаточность их описания в терминах пространственных координат. Решение многих задач предусматривает необходимость координирования пространственных объектов во времени. Задание четвертой координаты объектавременипозволяет ввести понятие пространственно-временных данных. Ими оперируют пространственно-временные ГИС.

Резюмируя вышеизложенное, под географической информационной системой будем понимать аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества. Иногда этап сбора данных, осуществляемый методами дистанционного зондирования, глобального позиционирования и другими, сводят к технологии их ввода в ГИС. Наконец, необходимо отметить второе значение термина «ГИС» как синонима программных средств, программного продукта, программного обеспечения ГИС, реализующего функциональные возможности ГИС в первом (основном) его значении.

Контрольные вопросы

  1.  В чем заключается основное отличие ГИС от иных информационных систем?
  2.  Является ли слово «географический» в наименовании ГИС признаком их принадлежности к предметной области профессиональной географии?
  3.  Не нарушает ли слово «географический» в составе термина «географические информационные системы» принцип системности терминологии геоинформатики, поскольку объекты и данные в ГИС носят наименование «пространственных», а «географические объекты» и «географические данные» чаще всего считаются допустимыми синонимами нормализованных терминов? Не следует ли ввести термин «пространственные информационные системы»?
  4.  Определите понятия «данные», «информация» и «знания». В чем их различие?
  5.  Дайте собственное определение ГИС.
  6.  Какие критерии используются при классификации ГИС?
  7.  Сформулируйте одну из задач, в решении которой целесообразно использование ГИС.
  8.  Пользуясь самыми общими представлениями о функциях ГИС, предложите пути решения следующих задач, основанных на использовании пространственных данных:

а) оценка возможной зоны затопления в случае наводнения и его прямых
последствий
(затопление строений жилого и хозяйственного назначения);

б) подтверждение или опровержение гипотезы о негативном влиянии
на здоровье жителей жилого массива выбросов в атмосферу отходов круп-

ного химического предприятия;

в) проектирование оптимальной (с точки зрения затрат на строитель-
ство) трассы подводного нефтепровода, соединяющего два заранее не
заданных пункта на побережье крупного внутреннего водоема,
 с учетом
рельефа и фунтов дна,
 природно-охранных (распределение нерестилищ,
памятников природы и заказников) и других ограничений;

г) оценка числа жителей, обеспеченных устойчивым приемом теле-
программ, транслируемых вновь построенной телевышкой, в условиях
горной залесенной местности
;

д) создание электронного атласа в Интернет, отражающего оперативные
результаты обработки данных Всероссийской переписи населения
 2002 г.;

е) выбор места строительства нового супермаркета с учетом конку-
рентного торгового окружения.

1.2. Геоинформатика: наука, технология, индустрия

Русский термин «геоинформатика» произволен от термина «информатика» —иностранного заимствования, обозначающего научное направление, которое изучает теорию, методы и способы накопления, обработки и передачи данных, информации и знаний с помощью ЭВМ и других технических средств, или группу дисциплин, занимающихся различными аспектами применения и разработки вычислительных машин, куда обычно относят прикладную математику, программирование, программное обеспечение, искусственный интеллект, архитектуры ЭВМ и вычислительные сети. Специфические аспекты информатизации различных областей научной и производственной деятельности породили ряд частных «информатик». К примеру, по тому же типу образован термин «экоинформатика» для обозначения дисциплины, связанной с обработкой данных, информации и знаний об окружающей среде; аналогично этому информационные аспекты геоэкологии изучаются «геоэкоинформатикой».

Некоторое время наряду с термином «геоинформатика» использовался термин «географическая информатика». Не исключено, что этимологически термин «геоинформатика» образовался под влиянием двух параллельных процессов: редукции «географической информатики» до краткой формы «геоинформатика» и прямой деривации от родового понятия «информатика», что корреспондировало с краткой формой термина «географические информационные системы», а именно «геоинформационные системы», о чем упоминалось ранее.

В геоинформатике принято различать три разные «ипостаси». Это наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных технологий, по приложению ГИС для практических или научных целей [Геоинформатика..., 1999].

Предмет геоинформатики как науки обычно определяют как «природные, общественные и природно-общественные земные пространственные системы», ее метод —«компьютерное моделирование и тесно сопряженное с ним геоинформационное картографирование» [А. М. Берлянт, 1996]. Заменив в сочетании «компьютерное моделирование» слово «компьютерное» на «цифровое», получим более точное определение метода, основанное на цифровых моделях (представлениях, описаниях) пространственных объектов.

За недолгий период своего существования геоинформатика не успела приобрести необходимую любой науке атрибутику и структурную завершенность. Можно отметить недостроенность «вертикали» научного знания, включая теорию, методологию и методику: при несомненной разработанности методического аппарата, на котором строятся геоинформационные технологии, методологии, основу которой составляют модели пространственных данных и методики проектирования и создания ГИС, теория ГИС пока остается фрагментарной.

В основе теории геоинформатики как учения о ГИС лежит несколько базовых понятий. К ним относятся пространственные объекты, пространственные данные, модели пространственных данных, функции их обработки, включая базовые функции пространственного анализа и геомоделирования как ядра ГИС. Некоторое представление о них дано в подразд. 1.1, а более подробно речь пойдет ниже при обсуждении моделей пространственных данных и функциональных возможностей ГИС.

Структурно в геоинформатике предлагается выделять общую геоинформатику, разделяя ее на теоретическую геоинформатику и прикладную геоинформатику. «Горизонталь» в структуре геоинформатики соответствует ее делению по предметным областям информационного моделирования и специализации создаваемых ГИС; говорят об экогеоинформатике, методологии создания и использования геоинформационных систем экологической, природоохранной, радиоэкологической, земельно-кадастровой и другой специализации.

Технологически, исторически и «генетически» геоинформатика формировалась и продолжает развиваться в окружении смежных наук и технологий, предметно и методически родственных ей. Среди ее ближайших партнеров выделяют дистанционное зондирование и картографию. Алгоритмы и методы геоинформатики близки вычислительной геометрии и компьютерной (машинной) графике, системам автоматизированного проектирования (САПР). Непозиционная (атрибутивная) часть пространственных данных традиционно хранилась и управлялась средствами систем управления базами данных (СУБД), методология создания баз данных ГИС продолжает оставаться в числе важных задач при их проектировании. Единая цифровая среда существования объединяет ГИС с глобальными системами позиционирования и автоматизированными (цифровыми) технологиями съемок местности (например, с использованием электронных тахеометров или лазерных сканирующих устройств) и системами их обработки (например, методами цифровой фотограмметрии). Наконец, аппаратная среда реализации геоинформационных технологийтак называемая вычислительная техника, а именно компьютеры с периферийными устройствами ввода, хранения и вывода данныхвовлекает в орбиту интересов и условий существования геоинформатики новейшие информационные, в том числе телекоммуникационные, технологии, изучаемые общей информатикой.

По тесноте связи, уровню взаимодействия, методической и технологической близости и возможностям интеграции ближайшее окружение геоинформатики образует картография и дистанционное (аэрокосмическое) зондирование. Характер связи трех наук и технологий [А. М. Берлянт, 2001] можно представить в виде четырех моделей, не только теоретически возможных, но и реально предлагавшихся в разные «эпохи» их совместного параллельного развития и осознания ими своей роли и места в условиях экспансии новых информационных технологий (рис. 3).

Последняя из моделей может рассматриваться как каноническая, и дискуссии прошлых лет об истинном характере взаимодействия триады равноправных, самодостаточных и открытых к интеграции наук и технологий следует считать закрытыми.

Добавим однако, что при анализе их взаимоотношений обычно опираются на несомненные черты их близости, сходства и, в некотором смысле, подобия как предпосылок к взаимодействию и интеграции. В особенности это касается отношений геоинформатики и картографии, карт и ГИС. Нельзя не заметить, что тесное взаимодействие и интеграция наук и технологий сопровождается углублением их основ, расширением и обновлением инструментария и прикладных возможностей, структурными перестроениями, что способствует их самоидентифика-   f     ^ "^s^ "\

ции и более точному позиционирова-   (   ДЗ Q ГИС Q   к   j

нию в системе наук на фоне сложно- ^

го переплетения и взаимопроникно- а

вения новых информационных технологий.

С этой точки зрения следует иметь в виду, что появление геоинформационных систем ознаменовало собой пока еще недостаточно осмысленный и оцененный переворот в инструментарии моделирования географического пространства вообще, реализовав принципиально новый способ его описания и представления в форме цифровых моделей и нарушив дотоле существовавшую здесь монополию карт и других геоизображений как единственного средства моделирования пространства и, что еще более важно, решения пространственных задач, позволив заменить графические (образно-знаковые) модели объектов земной поверхности цифровыми, а в ряде приложений вытеснить традиционные картографические модели из тех областей, где их использование невозможно или нецелесообразно. Развитие цифровой картографии ничего не меняет по существу: оставаясь в сфере забот и интересов картографии, цифровые карты картами не являются: как и любые цифровые пространственные данные (в том числе данные ГИС) они не могут восприниматься человеком визуально, тактильно или с помощью иных чувств.

Другое дело, что при всей своей самостоятельности и коренных различиях картография и геоинформатика «обречены» на прочное и долгое взаимодействие. В этом взаимодействии традиционно выделяют две стороны: карты и другие картографические изображения принадлежат к числу основных источников массовых исходных данных для ГИС и являются наиболее эффективной (или, по крайней мере, наиболее распространенной) формой представления результатов ее функционирования с использованием методов картографической визуализации данных в форме компьютерных и электронных (видеоэкранных) карт.

Тем не менее характер их взаимодействия, сложившийся к настоящему моменту, не вечен и сохранится до тех пор, пока:

  1.  исключительно все массовые источники данных для ГИС не станут цифровыми (имея в виду наиболее массовый из нихкарты);
  2.  не будет найден прямой интерфейс человеческого мозга и памяти компьютера (до той поры карте придется выполнять роль незаменимого интерфейса между человеком и машиной);
  3.  не будут найдены и реализованы алгоритмы решения всех пространственных задач исключительно в цифровой среде, минуя необходимость привлечения для этого карт;
  4.  единая, единственная и достаточная цифровая среда не обеспечит весь процесс принятия решений от получения исходных данных до исполнения пространственных решений и контроля за ними.

Важнейшая черта взаимодействия геоинформатики с ее окружениеминтеграция. Одно из ее следствийвозникновение и развитие пограничных дисциплин. Интеграционные процессы затрагивают не только отношения классической триады «дистанционное зондированиегеоинформатикакартография» или их попарных отношений. Современная практика дает немало примеров интегрированных решений, основанных на существовании единой технологической цифровой среды.

Ранее вполне независимая отрасль управления сетями инженерных коммуникаций (так примерно можно передать на русском языке труднопереводимый английский термин AM/FM Automated Mapping / Facility Management) в 90-х годах XX в. ассоциировалась с ГИС-технологиями, и аббревиатура AM/FM/GIS не сходит со страниц изданий, посвященных их тотальному внедрению в управление национальными и региональными сетями водо-, энерго-, газоснабжения, телефонной связи.

Интерактивная картографическая графика в Интернет, появление и развитие «Интернет-ГИС» могут служить примерами интеграции информационных и телекоммуникационных средств.

Интеграция ГИС и иных информационных геотехнологийхарактерная черта и условие дальнейшего развития геоинформатики. Функциональность геоинформационных технологий, о которой будет сказано чуть ниже, приобрела полноту и логическую завершенность (инвариантность), и внутренние возможности их функционального развития в части базовых функций, во всяком случае на сегодняшний день, представляются почти исчерпанными.

Геоинформатика в настоящее время рассматривается как интегратор многих наук и технологий, оперирующих пространственно-координированными данными. На эту роль претендует еще одна дисциплинагеоматика (англ. geomatics от GEO+InforMATfCS, франко-канадский оригиналgeomatique). Под геоматикой обычно понимают область деятельности, связанную с использованием системного подхода к выбору средств сбора, интеграции, обработки и распространения пространственных данных в континууме потоков цифровой информации. Иногда геоматика рассматривается как синоним геоинформатики; по другой, более распространенной точке зрения, геоинформатика входит составной частью в геоматику.

При разграничении двух понятий следует иметь в виду три особенности геоматики в приведенном выше толковании:

  •  геоматика оперирует пространственными данными в самом широком смысле этого слова;
  •  в предмет ее забот входит сбор данных, который, по одной из точек зрения, лежит за пределами геоинформационных технологий;
  •  геоматика является средой технологической интеграции всех дисциплин, связанных с пространственными данными, которые недавно начали обозначать термином «геотехнологии».

На наш взгляд, за геоматикой разумно закрепить смысл технологии, интегрирующей частные (гео)технологии получения и обработки пространственных данных, включая геоинформатику как инструмент такой интеграции.

Особенности практического взаимодействия геоинформатики, геоинформационных технологий и ГИС со «смежниками» будут рассмотрены в гл. 3.

Одновременно геоинформатикатехнология, отличная от иных информационных технологий, технологическая основа создания и эксплуатации ГИС. В самом общем виде суть геоинформационных технологий составляют ввод, обработка и вывод пространственных данных. В более развернутом виде они определены выше, при рассмотрении основных функций ГИС (см. рис. 2). В технологическую схему ГИС не всегда включается сбор первичных (измерительных) данных, поскольку получение, или сбор данных,дело смежных индустрии и технологий (например, дистанционного зондирования), однако в определения ГИС до настоящего времени он чаще всего входит (см. 1.1).

Общая технологическая схема ввода, обработки и вывода данных в ГИС, поддерживаемая соответствующими программными средствами, может быть представлена в виде набора обобщенных функций (функциональных групп), среди которых принято выделять следующие:

1. Ввод и редактирование данных. Сюда входит аналого-цифровое преобразование данных, в том числе методы и технологии цифрования картографических источников с помощью цифрователей (дигитайзеров) с ручным обводом или путем сканирования аналоговых оригиналов с последующей векторизацией, а также импорт готовых цифровых данных, контроль ошибок цифрования, топологической и геометрической корректности и общая оценка качества получаемой цифровой модели.

  1.  Поддержка моделей пространственных данных. Полученная цифровая модель может существовать, храниться и обрабатываться в рамках определенных моделей (представлений); к ним относят растровую, векторную, квадротомическую и иные двух- и трехмерные модели данных, которым соответствуют некоторые форматы данных.
  2.  Хранение данных. Проектирование и ведение баз данных (БД) атрибутивной информации ГИС, поддержка функций систем управления базами данных (СУБД), включая ввод, хранение, манипулирование, обработку запросов (в том числе пространственных), поиск, выборку, сортировку, обновление, сохранение целостности, защиту данных и создание базы метаданных в рамках основных моделей организации данных БД: иерархической, сетевой и реляционной, реализация геореляционного и объектно-ориентированного подходов к БД ГИС.
  3.  Преобразование систем координат и трансформация картографических проекций. Наиболее распространенные задачипереход от условных декартовых прямоугольных координат источника к географическим координатам, пересчет координат пространственных объектов из одной картографической проекции в другую, эластичные преобразования растровых изображений по сети опорных точек. Сюда же разумно включить все иные операции с пространственными объектами, выполняемые на эллипсоиде или шаре.
  4.  Растрово-векторные операции. Обслуживают возможности совместного использования двух наиболее употребительных моделей пространственных данныхрастровой и векторной, экспорт и импорт в среду других программных продуктов, ввод или вывод данных. Автоматическое или полуавтоматическое преобразование (конвертирование) растрового представления пространственных объектов в векторное (векторизация), векторногов растровое (растеризация) и графическое совмещение растровых и векторных слоев данных.
  5.  Измерительные операции и операции аналитической (координатной) геометрии. Вычисление длин отрезков прямых и кривых линий, площадей, периметров, объемов, характеристик форм объектов и т.п., автоматизация обработки данных геодезических измерений.
  6.  Полигональные операции. Включают определение принадлежности точки полигону, линии полигону, наложение полигонов (топологический оверлей), уничтожение границ и слияние полигонов, индикацию и удаление паразитных полигонов, генерацию полигонов Тиссена (диаграмм Вороного).
  7.  Пространственно-аналитические операции (операции пространственного анализа). Одна из базовых функциональных групп ГИС, включающая анализ близости (окрестности), расчет и анализ зон видимости/невидимости, анализ сетей (сетевой анализ), расчет и построение буферных зон (буферизация).

9. Пространственное моделирование (геомоделирование). Пост-
роение и использование моделей пространственных объектов, их
взаимосвязей и динамики процессов
(математико-статистический
анализ пространственных размещений и временных рядов,
 меж-
слойный корреляционный анализ взаимосвязей разнотипных объек-
тов и т.п.) средствами встроенных функций пространственного
моделирования или путем создания
 интерфейса с моделями вне
среды ГИС.

  1.  Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей. Создание и обработка цифровых моделей рельефа, расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона, экспозиции и формы склонов), построение трехмерных изображений местности, профилей поперечного сечения, вычисление объемов, генерация линий сети тальвегов и водоразделов и иных особых точек и линий рельефа, интерполяция высот, построение изолиний по множеству значений высот, автоматизация аналитической отмывки рельефа, цифровое ортотрансформирование изображений. Сюда же можно отнести моделирование трехмерных объектов (тел) в рамках моделей данных «истинных» трехмерных ГИС.
  2.  Вывод данных. Генерация отчетов, документирование результатов в текстовой, графической (в том числе картографической), табличной формах с использованием различных графических периферийных устройств (принтеров, графопостроителей и т.п.), экспорт данных.

Существо операций приведенной технологической схемы, алгоритмы, лежащие в их основе, способы и особенности их программной реализации будут подробно рассмотрены в гл. 2 «Функциональные возможности ГИС».

Выделенные базовые функциональные группы не исчерпывают всего разнообразия операций, образующих технологическую основу ГИС. Конкретные универсальные и тем более специализированные программные средства ГИС могут содержать и поддерживать многие другие операции, в том числе выходящие далеко за пределы чисто геоинформационного функционалитета. К примеру, известны растровые ГИС, позволяющие выполнять операции «алгебры карт» (map algebra), сходные с матричными операциями, и даже достаточно развитые функции цифровой обработки данных дистанционного зондирования. С учетом активных интеграционных процессов базовый набор функций может быть значительно расширен; к таким функциональным расширениям можно отнести аппарат экспертных систем и баз знаний, нейросети, интеллектуальный (содержательный) анализ данных (data mining), методы искусственного интеллекта в целом, методы виртуальной реальности.

Для обозначения геоинформатики как производственной деятельности используют термин геоинформационная индустрия (ГИС-индустрия). Ядро отрасли составляют разработка, продажа и сопровождение программных средств ГИС и выполнение геоинформационных проектов (ГИС-проектов) на их основе. Сюда же относят разнообразный сервис, или геоинформационные услуги по внедрению (приложениям) геоинформационных технологий в целом или отдельных ее операций и этапов. Они включают цифрование и векторизацию бумажных картографических источников, конвертирование данных из одного формата в другой, системную интеграцию с иными информационными системами и технологиями (дистанционного зондирования, глобального позиционирования и т.п.).

К отдельной подотрасли условно можно отнести геоинформационное образование (ГИС-образование), профессиональную подготовку специалистов в области геоинформатики и ГИС. В проблематику ГИС-образования входят образовательные стандарты, программы геоинформационных курсов для средних специальных учебных заведений и вузов, внедрение начал геоинформатики в школьное обучение, создание учебных (обучающих) ГИС.

С развитием и диверсификацией ГИС-индустрии как отрасли намечается четкая специализация в профессиональной сфере и в обучении ГИС-специальностям; формируются профессии «ГИС-аналитик», «ГИС-менеджер», «ГИС-специалист», «ГИС-техник», «ГИС-программист».

Геоинформационная индустрия порождает рынок, связанный с производством и потреблением (использованием) геоинформационных продуктов и услуг. К геоинформационному рынку (ГИС-рынку) относят геоинформационные технологии, программные продукты ГИС, пространственные данные, персонал, занятый выполнением геоинформационных проектов, компьютерную технику и специализированное оборудование, включая периферийные устройства, геодезические приборы, съемочную и иную аппаратуру. Глобальный геоинформационный рынок естественным образом распадается на национальные сегменты, или на национальные рынки, которые в свою очередь образованы региональными и местными сегментами, следуя территориальному принципу его организации. Более или менее сформировавшийся геоинформационный рынок разделяется на сегменты, соответствующие крупным группам потребителей продуктов и услуг (например, отраслям хозяйства или науки), предметным областям и технологиям.

Контрольные вопросы

1. Что составляет предмет и метод геоинформатики?

2. Какие научные дисциплины и технологии образуют окружение
геоинформатики
?

3. В чем заключается отличие геоинформатики от геоматики?

  1.  Какие основные функциональные группы выделяются в технологической схеме обработки данных в ГИС?
  2.  Какие функции составляют ядро геоинформационных технологий и почему?
  3.  Почему геоинформационные технологии могут служить средой интеграции всех иных технологий, связанных с обработкой пространственно-координированных данных?
  4.  Какие интеграционные процессы сопровождают современное развитие геоинформатики?

  1.  Что входит в понятие геоинформационной индустрии?
  2.  Какие сегменты образуют геоинформационный рынок?

10. Какие тенденции характерны для современного мирового геоин-
формационного рынка?

1.3. Периодизация развития геоинформатики

Что же привело к рождению геоинформатики? Крут причин и предпосылок огромен, но главными были следующие:

  •  широкое распространение компьютеров и совершенствование средств периферии;
  •  накопление обширных аэрокосмических, статистических и других материалов;
  •  потребность упорядочения сведений в базах данных для разнообразных целей;
  •  обеспечение сохранности и доступности этих материалов для широкого крута пользователей;
  •  необходимость оперативных принятий решений и др.

Произошло не просто суммирование знаний* технических возможностей и опыта из сфер вычислительной техники, информатики, географии и картографии, а их умножение, что и привело к «взрывообразному» развитию данного направления. Следует заметить, что в течение всей истории геоинформатики, укладывающейся в ничтожно малый отрезок времени в 40лет, были и периоды ускорения, и относительного замедления, и даже некоторого застоя. Сам взгляд на историю существенно зависим от точки зрения (места в клубке идей и технологий, из которого тянется сегодняшняя нить геоинформатики в ее современном и вполне устоявшемся понимании).

Геоинформатика как наука относительно молода, но и она имеет свою историю, которая может быть разделена на четыре нечетко выраженных периода.

I период. В 60-е годы XX в. совершенствовались техника и опыт под единой, пока не оформившейся «крышей». Наиболее ярким примером этого периода было создание в 1963гг. Канадской ГИС (CGIS) под руководством Р.Томлинсона. Ее методические основания обобщены в его докторской диссертации [P.Tomlin-son, 1974], а технологические и прикладные аспекты освещены в десятках, если не сотнях статей, в том числе серии избранных публикаций и другой периодике. Ставшая одним из примеров крупной универсальной региональной ГИС национального уровня, CGIS может считаться классикой, и «ни одна из систем не может сравниться с Канадской ГИС по числу статей, ссылающихся на нее» [G.Nagy, Sh.Wagle, 1979]. Данная система создавалась для анализа данных инвентаризации земель Канады в области рационализации землепользования. Одним из важнейших результатов ее использования было создание карт масштаба 1:50 ООО, причем применялось самое современное оборудованиеспециальный экспериментальный сканер. Выполнялось наложение и измерение площадей, ранее не использовавшиеся в геоинформатике. Применялась абсолютная система координат. Позднее была создана база данных на основе тематических слоев, налажен дистанционный доступ к ней, а еще позднее была предпринята попытка приспособить Канадскую ГИС к сетевым технологиям, однако появились более современные системы, с которыми ей было сложно конкурировать. К тому же, как и всякая пионерная разработка, проект оказался весьма дорогостоящим.

Работы шведской школы геоинформатики концентрировались вокруг ГИС земельно-учетной специализации, в частности Шведского земельного банка данных, предназначенного для автоматизации учета земельных участков (землевладений) и недвижимости. Методические основы этих работ хорошо известны отечественному читателю из фундаментальных статей О. Саломонссона [1976] и Т.Германсена [1976] во втором выпуске сборника «Новые идеи в географии» (отв. ред. В. М. Гохман и Ю. В. Медведков) —одной из немногочисленных публикаций по проблематике ГИС, приуроченной к XXIII конгрессу Международного географического союза (МГС) в Москве и оказавшей значительное влияние на адаптацию идей геоинформатики в нашей стране. Основная цель конгрессаупорядочить собранный материал и облегчить доступ к нему, в частности для автоматизированного картографирования. Карты в основном строились в виде грубых алфавитно-цифровых распечатокизображений, состоящих из букв и цифр, которые благодаря разной плотности создавали примитивный эффект полутоновых изображений (рис. 4).

Вторая половина 60-х годов XX в. знаменательна также работами Гарвардской лаборатории машинной графики и пространственного анализа. Созданное здесь программное обеспечение стало классическим в сфере автоматизированного картографирования. Так, первый и наиболее известный пакет SYMAP позволял создавать общегеографические карты на алфавитно-цифровых печатающих устройствах (изображения, подобные приведенному на рис. 4). По-

4  = =^\NN\\NNNN\ r<4NNNNNNNNNNNNNp= ===K^4V{

V= = ^^NNNNNNN^f =v^4\\\\f= === = === = ==-

\

">\\\\4\V- \S\\\\\\\S\\

4 <' ^\\\f7\f7\\f7\\\\f7\\\f7\\\f7^ ^ -x

' $ $$$$$$$

$$$$$$}

-I

....>%%%%%%> ,%%%%%%%%',

,%%%%%%%%%,

\% ,'■6 % ' 1%%%%  $%%%% ~

;•%%%%%%% \s$$$$, ■6.%%%%%%%%\ $$$$ %%%%%%%%) $$$$; '$$$,--

,  _

\$$$$$$$

^^^^^

Рис. 4. Карта оценки природных условий для виноградарства Молдавии, созданная на алфавитно-цифровом печатающем устройстве ЭВМ

зднее, к концу 60-х годов с переходом к работам на графопостроителях, SYMAP трансформировалась в CALFORM. К этому же времени были разработаны программы SYMVU (для трехмерных изображений) и GRID (для работ с растровыми ячейками). Этот набор программ в 70-е годы преобразовался в POLYVRT и далеев ODYSSEY, как комплексного пакета, базирующегося на векторных данных. Нельзя сказать, что в 60-е годы состоялось становление геоинформатики в России, но положительный результат, несмотря на существенные материальные затраты, был получен.

Геоинформатика

 33

II период. В начале 70-х годов XX в. ситуация начала меняться. Стало очевидно, что у геоинформатики большое будущее, появились примеры эффективного применения ГИС, но стоимость техники, программного обеспечения и обслуживания были столь высоки, что для многих они просто недоступны. Поэтому первая половина 70-х годовэто период шлифовки и доводки методики в крупных организациях и энтузиазм отчаянных одиночек. Зазвучали также голоса пессимистов: геоинформатика, мол, это «овчинка, которая не стоит выделки», так как ее продукция получается просто «золотой». Это был период некоторого застоя. Однако, справедливости ради, отметим появление в это время нескольких крупных теоретических обобщений и прежде всегопо методике структурирования пространственных данных.

Состояние и история разработок ГИС в Швеции, отражающая срез на середину 70-х годов, представлена специальным монографическим изданием журнала «Картографика» [Comput. cartogr. in Sweden, 1977]. По данным, сообщаемым во вводной статье этого издания О. Вастессоном, к середине 70-х годов в стране шла разработка и эксплуатация 12 информационных систем (ГИС или информационных систем, расширяемых до их уровня). В предисловии к книге Д.Тейлор анализирует также процесс их развития в Канаде, разделенный на пять стадий (рис. 5), иллюстрирующих «в неакадемических терминах и мерах» степень энтузиазма и надежд разработчиков ГИС: сверх-энтузиазм первых экспериментов, не подкрепленный реальными возможностями; разочарование от первых неудач; возросшая активность и новые надежды; второй кризис, связанный с трудностями решения некоторых проблем; движение к завершению после их решения.

Нужно отметить существенное взаимовлияние двух геоинформационных школ. Анализ ранней канадской и шведской литературы по ГИС показывает, что ГИС «первого поколения» (60-еначало 70-х годов) значительно отличались от того, что понимается под ними в настоящее время. Они зачастую были ориентированы на чисто утилитарные задачи инвентаризации земельных ресурсов, земельного кадастра и учета в интересах совершенствования системы налогообложения, решаемые путем автоматизации земельно-учетного документооборота в виде банков данных соответствующей специализации. Основная функция ГИС состояла во вводе в машинную среду первичных учетных документов для хранения и регулярного обновления данных, достаточно незамысловатой (на сегодняшний взгляд) обработки, включающей агрегацию данных и генерацию итоговых отчетных статистических табличных документов, вполне аналогичных «Земельным балансам».

Инвентаризационные задачи, но на иной исходной основепутем массового цифрования картрешались первоначально и в Канадской ГИС. Однако участие в их разработках научно-исследовательских коллективов, в том числе профессиональных географов (в Швецииэто коллектив Университета Лунда), позволило заложить в их основу некоторые фундаментальные принципы, которые обеспечили их выход в сферы не только узко прагматических, но и более универсальных интересов и областей применения. Первый и главный шаг, который вывел ГИС из крута баз данных общего назначения, заключался во введении в число атрибутов операционных объектов (земельных участков, строений, физических и юридических лиц, ареалов использования земель, бонитировки почв или лесотаксации) признака пространства, в какой бы форме местоуказания (в координатах, в иерархии административной принадлежности, в терминах принадлежности к ячейкам регулярных сетей членения территории) он ни выражался. Достаточно революционным являлось уже указание координат центроидов объектовприем, активно использовавшийся в Швеции. Напомним, что в начале 60-х годов массовое цифрование карт и их представление в векторном формате было уделом отдельных экспериментов картографических служб оборонных ведомств.

В этот период сформировалось понятие пространственных объектов, описываемых их позиционными и непозиционными атрибутами. Оформились две альтернативные линии представлениярастровые и векторные структуры, включая топологические линейно-узловые представления. Чуть позже была создана технология массового цифрования картосновного источника данных в Канадской ГИС. Поставлены и решены задачи, образующие ядро геоинформационных технологий: наложение (оверлей) разноименных слоев, генерация буферных зон, полигонов Тиссена и иные операции манипулирования пространственными данными, включая определение принадлежности точки полигону, операции вычислительной геометрии вообще. Найдены эффективные решения других геометрических проблем, алгоритмы аналитических операций и графоаналитических построений.

Функциональная ограниченность ГИС «первого поколения» (например, отсутствие или примитивность средств графической и картографической документации) имела и чисто технические причины: неразвитость периферийных устройств, давно забытый пакетный режим обработки данных (дисплей, применение которого позволило реализовать интерактивное взаимодействие оператора и машины, становится обычным устройством отображения лишь в середине 70-х годов) на крупных и мощных, но безумно (по сегодняшним меркам) дорогих ЭВМ, непереносимость программного обеспечения, критичность вычислительных ресурсов по отношению к объемам данных и времени исполнения задач. Так или иначе, ядро геоинформационных технологий было сформировано до начала 70-х годов, определив облик ГИС первого поколения.

Для 70-х годов характерно достаточно тесное взаимодействие методов и средств геоинформатики с параллельной и ранее независимой линией развития цифровых методов картографирования и автоматизированной картографией. Начало было положено работами Ж. Бертена по печати компьютерных статистических карт на примитивных печатающих устройствах, ранее упоминавшимися экспериментами Лаборатории машинной графики и пространственного анализа Гарвардского университета, успехами в области автоматизированного картографирования государственных топог-рафо-геодезических служб. Считается, что первая автоматизированная картографическая система была создана в Великобритании в Экспериментальной картографической части Королевского кол-леджа искусств Д.Бикмором в 1964 г. В России сформировалось . новое направлениематематико-картографическое моделирова- \ ние [В.Т.Жуков, С.Н.Сербенюк, В.С.Тикунов, 1973, 1980].       |

Общность технической базы, структурно-функциональное единство или подобие автоматизированных картографических систем и ГИС создали в 70-х годах предпосылки к их будущей интеграции, породив, однако, «картоцентрический» взгляд на геоинформатику, ее сущность и историю [P. A. Burrough, 1986]. : Хотя действительно исторически ГИС в современном их понимании развивались в значительной степени на базе информационно-поисковых систем, позднее они включили функции картографических банков данных с параллельным расширением возможностей математико-картографического моделирования и анализа данных. Рассматривая карту как инструмент для географического анализа и выделяя подсистему пользователя [М. Копеспу, К. Rais, 1985], ГИС стали охватывать и область использования карт. Большинство ГИС этого периода включают в свои задачи создание карт или используют картографические материалы как источник исходных данных.

К этому периоду относится быстрый прогресс геоинформационных и автоматизированных картографических технологий в США. Здесь следует сказать о Геологической службе США и Бюро переписей, в частности, в связи с созданием системы, ориентированной на детальную характеристику уличной сети городов и организацию транспортного движения. Создано также несколько компьютерных атласов по материалам переписей.

Большая организационная роль в становлении геоинформатики принадлежит Международному географическому союзу, в том числе ее комиссии по сбору и обработке географических данных под руководством Р. Томлинсона. Среди ее основных инициатив следует назвать инвентаризацию ГИС и программных средств, относящихся к манипулированию пространственными данными, машинной и картографической графике. Эта работа была выполнена в конце 70-х годов, и по ее итогам в 1981 г. опубликован трехтомник «Программное обеспечение обработки пространственных данных» под редакцией Д.Марбла [Computer software, 1981], не имеющий аналогов в мировой литературе по сей день, исключая, может быть, «Справочники по ГИС» [The 1990 GIS Sourcebook, 1990; 19911992 International GIS..., 1991; 1993 International GIS..., 1992].

Первый том инвентория содержал стандартизованные описания 85 полномасштабных ГИС; несколько сотен описаний иных программ обработки географических данных помещены во втором и третьем томах. Проблематика ГИС постоянно входила в программы конгрессов МГС, включая XXIII Московский (1976), оказавший значительное влияние на развитие советской географии, обратив внимание на важность развертывания исследований в области геоинформатики. В программах Международных картографических конференций Международной картографической ассоциации (МКА) тематика ГИС стала выноситься в отдельные рубрики значительно позже, уже после XI конференции МКА в Варшаве в 1982 г.

Новый взлет наметился в конце 70-хначале 80-х годов XX в., когда широко распространились дешевые персональные компьютеры. Открылись принципиально новые возможности для массового потребителя. Эйфория проявляется во всем, вплоть до попыток обосновать целесообразность замены и поглощения традиционных наук, имеющих дело с пространственно распределенными данными, одним всеобъемлющим направлением. Картографическая продукция этого времени уже почти не отличается от карт, издаваемых по традиционным технологиям.

III период. «Эпоха зрелости», эпоха первых комплексных решений, наступает в 80-е годы, когда отдельные компьютерные программные пакеты по обработке данных, по подготовке текстов или карт трансформируются в единую увязанную систему, способную помочь человеку в принятии ответственных решений. В это же время создаются компьютерные локальные и глобальные сети, революционно изменившие доступ к базам данных. Персональные компьютеры в ряде организаций уже начинают вытесняться рабочими станциями. Отмечается чрезвычайный динамизм развития ГИСк середине 80-х годов их число приближается к 500 [К. С. Ciarce, 1985], а по другим даннымк 2000. Расширяется «география» ГИС, устанавливается баланс между уровнем развития геоинформатики Старого и Нового света, заметно нарушенный в 70-х годах заатлантическими соседями. Разработка коммерческих программных средств ГИС, связанная в немалой степени с возможностями мини- и микроконфигураций вычислительных средств, а позже и персональных ЭВМ, существенно меняет всю геоинформационную индустрию, появление которой связывается именно с этим периодом. Создание ГИС стало основываться не на уникальных программных и аппаратных средствах собственной разработки, а на адаптации функциональных возможностей достаточно операционно универсальных программных продуктов применительно к анализируемым проблемам. Именно это время было периодом массового создания ГИС на платформе персональных компьютеров (причем практически исключительно на IBM PC).

Одним из ярких примеров этого периода может стать появление наиболее популярного в мире программного обеспечения ARC/INFO (Arclnfo в настоящее время) в Институте изучения систем окружающей среды (ESRI, Inc., США), к созданию которого привело соединение стандартной реляционной системы управления базами данных (INFO) с программой (ARC). Важнейшей особенностью его стала независимость от платформ и операционных систем.

В 80-е годы существенно расширяется круг решаемых задач, геоинформационные технологии проникают во все новые сферы науки, производственной деятельности и образование. Осваиваются принципиально новые источники массовых данных для ГИС: данные дистанционного зондирования, включая материалы спутников серии Ландсат, а позднее СПОТ, данные глобальных систем позиционирования [в это время их также называли системами навигации, местоуказания и др.]. Цифровые методы обработки изображений интегрируются с системами автоматизированной картографии (в том числе с ее новой ветвьюэлектронной картографией) и ГИС, создавая предпосылки единой программной среды 90-х годов.

IV период. В 90 годы появились интеллектуальные системы и технологии мультимедиакомплексного воздействия на различные органы чувств человеказрение, слух, а в перспективеобоняние и даже осязание. Можно обратиться и к более частным вопросам, например картографической визуализации в ГИС. Так, даже традиционные бумажные карты, естественно имеющие самое широкое распространение и применение, стали претерпевать определенные изменениястановиться «рельефными», пригодными для визуального и компьютерного считывания, переноситься на другие основы: материю, пластик, что позволяет, например, работать на пластиковых контурных картах в школе, используя их многократно и для разных целей и т.д. Подавляющее большинство карт преобразуется в цифровые модели, а их тематические наборы или слои начинают комплексироваться в электронные атласы, изготовляемые по индивидуальному заказу. Обычными становятся голографические изображения и карты в области «виртуальной реальности».

В это время интенсивно велись работы в области моделированияактивно внедрялась теория фракталов, катастроф, хаоса в географии, начали применять нейронные сети для многомерных классификаций и прогнозированиязадач, традиционно важных для всех географических наук. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в 2.2. За рубежом оформилось направление, называемое geoprocessing. Бурно и стремительно стали вестись работы по инфраструктурам пространственных данных (см. 5.2). Очень многочисленными стали примеры интеграции ГИС и Интернет (см. 3.3), вплоть до того, что некоторые ученые стали называть этот период эпохой Интернет-ГИС.

Не обошли Россию и тенденции, прослеживаемые в области геоинформатики в наиболее развитых в этом отношении странах. В области теориисовершенствование фундаментальных понятий, «интеллектуализация» ГИС, обращение к объектно-ориентированным моделям в ГИС, развитие теории «нечетких знаний», совершенствование систем управления базами пространственных данных и знаний, разветвленных пользовательских систем и сетевых структур, а также интегрированных ГИС. Все большее внимание стало уделяться интеллектуальному анализу данных (data mining). Применение ГИС из стадии экспериментов начинает переходить в сферу практического использования, причем не в отдельных пунктах, а по всему фронту научных, практических и управленческих областей. Идет процесс существенного пересмотра учебных программ по геоинформатике, а также совершенствование подготовки кадров пользователей ГИС. Все больше проектов стало выполняться не на персональных компьютерах, а на рабочих станциях, с широким использованием компьютерных сетей. Очень важным нам представляется обращение к полномасштабным системам поддержки принятия решений (см. 4.3).

Естественно, что говорить о конце прошлого и начале наступившего века в историческом контексте пока еще рано. Однако уже сейчас обозначился новый технологический виток в спирали

развития геоинформатики, который готовит ее к новым достижениям в начавшемся столетии. Это, прежде всего, создание мобильных ГИС, интеллектуализация систем, включение новых модулей, например имитационных моделей, разработки сценариев развития в ГИС, а также интеграция самих информационных систем с новыми технологиями, использующими пространственные данные. Усиливается интерес к адаптации достижений психологии в геоинформатике.

Контрольные вопросы

1. Когда появились первые геоинформационные системы?

  1.  Укажите основные причины и предпосылки, способствовавшие появлению геоинформатики.
  2.  На какие периоды можно разделить историю становления геоинформатики?

  1.  В какие годы применение ГИС-технологий стало рентабельным?
  2.  В какой период появились элементы интеллектуализации ГИС?

6. Сформулируйте, что нового появилось в геоинформатике с момента
выхода в свет данного учебника.

Глава 2

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГИС

2.1. Ввод, предобработка и хранение данных

2.1.1. Источники данных

Источники пространственных данных для ГИСоснова их информационного обеспечения. Затраты на информационное обеспечение геоинформационных проектов достигают 90% от их общей стоимости. В литературе постоянно упоминается еще одна достойная внимания цифрадо 70 % всех данных, составляющих информационные ресурсы наций, регионов и ведомств, имеют пространственную привязку или могут быть более или менее легко координированы, получив статус пространственных. Тем не менее информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоемким делом. Это связано с тем, что цифровая среда существования ГИС предполагает цифровую форму обрабатываемых ею данных, а основную массу источников составляют аналоговые данныебумажные» карты, статистические табличные отчеты, тексты). При анализе и оценке различных типов источников как основы информационного обеспечения ГИС следует иметь в виду их общие свойства, а именно пространственный охват, масштабы, разрешение, качество, форму существования (аналоговаяцифровая), периодичность поступления, актуальность и обновляемость, условия и стоимость получения, приобретения и перевода в цифровую форму (цифрования), доступность, форматы представления, соответствие стандартам и иные характеристики, которые объединяются обобщающим термином «метаданные» («данные о данных»).

ГИС, как правило, оперируют различными упорядоченными наборами данных. Среди них традиционно различают картографические, статистические, аэрокосмические материалы, которые преобразуются и вводятся в среду ГИС и/или заимствуются из других геоинформационных системпоэтому именно они будут предметом рассмотрения в данном подразделе. Помимо указанных материалов реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также литературные (текстовые) источники, что дает нам право охарактеризовать их лишь в самом общем виде. «Тип источника» объединяет генетически однородное множество исходных материалов, каждое из которых сильно различается по комплексу характеристик, что и будет проанализировано ниже. К ним принадлежит, например, такой важный признакв какой: цифровой (векторной, растровой) или нецифровой (аналоговой) форме получается, хранится и используется тот или иной набор данных, от чего зависят легкость, стоимость и точность ввода этих данных в цифровую среду ГИС.

Использование географических карт как источников исходных данных для формирования баз данных удобно и эффективно по ряду причин. Во-первых, атрибутивные характеристики, полученные с картографических источников, имеют территориальную привязку, во-вторых, в них нет пропусков, «белых пятен» в пределах изображаемого пространства (территории, акватории и др.) и, в-третьих, уже имеется множество технологий перевода этих материалов в цифровую форму. Картографические источники отличаются большим разнообразиемкроме общегеографических и топографических карт насчитываются десятки и даже сотни типов различных тематических карт, один только перечень которых занял бы не одну страницу текста. Детальная характеристика обеспеченности картографическими материалами достаточно стабильна и содержится, например, в учебниках по картографии, а обновление фондов тематических карт до 1990 г. регулярно характеризовалось в выпусках ВИНИТИ РАН «Итоги науки и техники. Картография». В настоящее время эта информация содержится в многочисленных каталогах хранилищ карт, в том числе доступных через Интернет.

Кратко охарактеризуем основные блоки картографических источников. Организация таких блоков может основываться на имеющейся системе классификации карт.

Общегеографические карты. Топографические (масштаб 1:200000 и крупнее), обзорно-топографические (от 1:200000 до 1:1 000 000 включительно) и обзорные (мельче 1:1 000 000) карты содержат разнообразные сведения о рельефе, гидрографии, по-чвенно-растительном покрове, населенных пунктах, хозяйственных объектах, путях сообщения, линиях коммуникаций, границах. В геоинформатике эти карты служат для двух целейполучения информации о перечисленных объектах местности и пространственной привязки тематических сведений. К этой же группе источников можно отнести фотокарты и космофотокарты, полученные с использованием фотопланов, составленных по результатам аэро-или космической съемки, с нанесенными на них горизонталями и другой картографической нагрузкой, обычной для общегеографических карт. Среди тематических карт выделяют карты природы, населения, экономики и др.

Карты природы. Это наиболее разнообразная по тематике группа карт, включающая карты геологического строения и ресурсов недр, геофизические, рельефа земной поверхности и дна океанов, метеорологические и климатические, гидрологические и океанографические, почвенные, геоботанические, зоогеографические, медико-географические, ландшафтные и общие физико-географические, охраны природы.

Карты народонаселения. Среди карт народонаселения выделяют следующие основные сюжеты: размещение населения по территории и расселение; этнографическая и антропологическая характеристика народонаселения; демографическая характеристика; социально-экономическая характеристика.

Карты экономики. Данный класс карт наиболее обширен и разнообразен среди карт социально-экономической тематики. Здесь, прежде всего, выделяют карты промышленности с подразделением на добывающую и обрабатывающую или более детально по каждой отрасли промышленности. Еще более многочисленны карты сельского хозяйства. Широко используется характеристика природных ресурсов, зачастую с их хозяйственной оценкой и прежде всего земельных фондов, трудовых ресурсов, материально-технической базы сельского хозяйства и др. Отраслевые карты сельскохозяйственного производства подразделяют на карты земледелия и животноводства. Карты лесного хозяйства характеризуют распространение и использование лесных ресурсов. Карты транспорта отображают разнообразные проявления деятельности всех видов транспорта, а также дают их общую комплексную характеристику. На картах изображаются средства связи. Среди карт строительства принято выделять карты капитального строительства, строительных и монтажных организаций, материально-технической базы и территориальных комплексов строительства. Реже встречаются специальные карты торговли и финансов. Логическим завершением блока экономики являются общеэкономические карты.

Карты науки, подготовки кадров, обслуживания населения связаны как с картами народонаселения, так и экономики. Поэтому некоторые виды карт иногда характеризуются в двух предыдущих разделах (карты торговли, связи и т.д.), а иногда их выделяют в качестве самостоятельных групп в пределах карт науки, подготовки кадров и обслуживания населения. Однозначной классификации карт в данном случае нет.

Отдельно выделяются политические, административные и исторические карты. Что касается классификации экологических карт, то можно согласиться с тем, что они «...не имеют четких различий по содержанию ни с картами природы, ни с социально-экономическими картами. В каждом из этих классов могут быть выделены сюжеты, имеющие "экологический уклон", полезные для экологии» [Комплексное..., 1997.С. 11]. Действительно легко отметить некоторую условность разграничения карт, когда, например, на комплексных и синтетических экологических картах происходит совмещение или слияние разнородных тематических слоев, относящихся к разным типам. Тем не менее, исходя из классификаций [А.Г.Исаченко, 1992; Л.М.Смирнов, 1994; В.И.Стурман, 1995 и др.], выделяют крупные блоки экологических картбиоэкологические, геолого-экологические, географо-экологические, антро-поэкологические, социально-экологические, экономико-экологические, общие экологические [Комплексное...., 1997].

В 90-е годы XX в. в России была проделана значительная работа по преобразованию аналоговой информации общегеографических, топографических и геологических карт в цифровой (векторный) вид. Для выполнения этих работ в Роскартографии были созданы центры геоинформатики (Росгеоинформ, ГосГИСЦентр, СевЗап-геоинформ, Сибгеоинформ, Уралгеоинформ и Дальгеолинформ), которые, используя технологии, разработанные в НИИ ПМК (Нижний Новгород), выполнили работы по цифрованию карт масштаба 1:1 ООО ООО и 1:200 ООО. В последующем Росгеоинформ был слит с ГосГИСЦентром, а Дальгеоинформ вошел в состав Хабаровского АГП. Результаты работы центров хранятся и поддерживаются в актуальном состоянии в Фонде цифровой пространственной информации в ГосГИСЦентре.

Созданием цифровых карт практически всех перечисленных выше типов занимаются также соответствующие профильные организации и ведомства. Так, например, геологические карты в цифровом виде создают региональные информационно-компьютерные центры Министерства природных ресурсов РФ. Вся работа по созданию цифровых геологических карт выполняется с использованием нескольких ГИСArclnfo, ArcView (ESRI, Inc.), ГИС «ПАРК» (Ланэко), GeoGraph/GeoDraw (ЦГИ ИГ РАН). Созданные на настоящий момент карты хранятся в ГлавНИВЦе МПР РФ. Информация о состоянии работ по созданию цифровых геологических карт доступна в Интернете на сайте государственного банка цифровой геологической информации Министерства природных ресурсов РФ.

Значительные объемы работ по созданию цифровых карт проводятся во многих городах России. Среди лидеров этого процесса такие города, как Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Ростов-на-Дону, Краснодар, Казань, Уфа, Нижний Новгород, Сургут, Таганрог, Находка и многие другие. В ряде случаев для этих целей используется гибридная растрово-векторная технология. Спектр применяемых для этих целей программных продуктов очень широк: Arclnfo, ArcView (ESRI, Inc.), Maplnfo Professional (Maplnfo Corp.), MicroStation (Bentley Systems, Inc.) и др.

Следует отметить особую роль серий карт и комплексных атласов, где сведения приводятся в единообразной, систематизированной, взаимно согласованной форме: по проекции, масштабу, степени генерализации, современности, достоверности и другим параметрам. Такие наборы карт особенно удобны для создания тематических баз данных. В последние годы более часто стали создаваться не серии карт, а атласы самой различной тематики. Причем заметим, что упорядочение тематических слоев в них может быть самым разнообразным и определяется целевой установкой атласа. Так, например, следуя логике упорядочения материала для обоснования моделей устойчивого развития территорий предлагается следующая последовательность: духовно-нравственные и исторические основы, социально-демографическая, политическая и экономическая компоненты, природно-ресурсный потенциал и сохранение природы [В.С.Тикунов, 2002].

Важным источником цифровой пространственной информации становится Интернет. Следует выделить два направления обеспечения цифровой информацией через Интернетпродажа данных (в основном для навигационных систем) и предоставление данных как ресурса для размещения собственной (обычно рекламной) информации. В первом сегменте в качестве примера можно назвать сайты фирм Ингит, С-Мар, а во второмe-atlas.ru и nakarte.ru.

Одним из основных источников данных для ГИС являются материалы дистанционного зондирования. Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей космического (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования типа «Шаттл», автономные спутниковые съемочные системы и т.п.) и авиационного (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) базирования и составляют значительную часть дистанционных данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки. К неконтактным (дистанционным) методам съемки помимо аэрокосмических относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо-, электро-, магниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на регистрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

Аэрофотосъемку в нашей стране начали осуществлять с 30-х годов XX в. и к настоящему времени накоплен фонд снимков, полностью покрывающих страну, а для многих районов с многократным перекрытием, что особенно важно при изучении динамики объектов. Материалы аэрофотосъемки используются в основном для топографического картографирования страны, также широко применяются в геологии, в лесном и сельском хозяйстве.

Космические снимки начали поступать с 60-х годов XX в. и к настоящему времени их фонд исчисляется десятками миллионов.

Виды космических материалов очень разнообразны. Существуют две технологии космических съемок: съемки с использованием фотографических и сканерных систем. Их обзор можно найти во многих учебниках, книгах, статьях [Б.В.Виноградов, 1976; Ю.Ф.Книжников, В.И.Кравцова, 1991; С.В.Гарбук, В.Е.Гершензон, 1997 и др.]. Остановимся лишь на самых общих характеристиках.

Дистанционное зондирование осуществляется специальными приборамидатчиками. Датчики могут быть пассивными и активными, причем пассивные датчики улавливают отраженное или испускаемое естественное излучение, а активные способны сами излучать необходимый сигнал и фиксировать его отражение от объекта. К пассивным датчикам относятся оптические и сканирующие устройства, действующие в диапазоне отраженного солнечного излучения, включая ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны. К активным датчикам относятся радарные устройства, сканирующие лазеры, микроволновые радиометры и др. В настоящее время в области разработки оперативных космических электронных систем дистанционного зондирования наметилась тенденция к комбинированному использованию различных многоканальных, многоцелевых датчиков с высоким разрешением, включая всепогодное оборудование. Наряду с этим по-прежнему используются неоперативные космические системы с панхроматическим фотооборудованием и многоспектральными фотокамерами, обеспечивающими высокое разрешение и геометрическую точность.

Результаты дистанционных измерений, осуществляемых с помощью бортовой информационно-измерительной аппаратуры аэрокосмической системы, представляют собой регистрацию в аналоговой или цифровой форме характеристик электромагнитного излучения, отраженного от участков земной (водной) поверхности или собственного излучения этих участков.

Для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) используются ультрафиолетовый, видимый или световой диапазон, ближний или фотографический, инфракрасный, тепловой инфракрасный и микроволновый диапазоны волн электромагнитного излучения.

В условиях облачности, покрывающей 7080% поверхности Земли, зондирование в микроволновом диапазоне позволяет регистрировать излучение сквозь облака, при этом в миллиметровом и сантиметровом диапазонах еще необходимо учитывать влияние атмосферы, а в дециметровом диапазоне в этом нет необходимости.

При высоком качестве изображения фотографические съемки выполняются не систематически; лишь в отдельных случаях возможно получение повторных снимков на одну и ту же территорию. Из-за эпизодичности съемок и трудностей, связанных с облачностью, регулярное покрытие территории таким видом съемки пока не обеспечивается. Поэтому приходится обращаться к снимкам других типовтелевизионным и сканерным снимкам со спутников двойного назначения и ресурсных спутников. Эти снимки бывают сверхвысокого разрешения от 0,5 до 5 м (QuickBird-2, США; TES, Индия; Ikonos, США и др.), высокого разрешения: от 5 (SPOT) до 3040 м (Landsat TM, Ресурс-0 и др.); среднего разрешения: 150200 м (Ресурс-0, Метеор-Природа) и малого разрешения: 1 км (NOAA, США) и более.

На сканерных снимках хорошего качества, особенно на цветных синтезированных, в целом выделяются те же объекты, что и на фотографических снимках, но при этом обеспечивается регулярная повторяемость съемки и удобство автоматизированного ввода в базы данных, поскольку они поступают в цифровом виде.

К обзорным телевизионным и сканерным снимкам с метеорологических и ресурсных спутников относятся снимки, получаемые сканерами среднего и малого разрешения, например с Российских метеорологических спутников «Метеор» и американских спутников NOAA, Тайрос-N и др. Они характеризуются разрешением на местности, как уже было указано выше, порядка 1 км.

Снимки в невидимом диапазоне спектра электромагнитных волн распространены менее широко, среди них тепловые инфракрасные и снимки в радиодиапазоне (микроволновом и ультракоротковолновом). В последние годы все большее значение придается гиперспектральной съемке.

Характеризуя различные стороны дистанционного зондирования, следовало бы сказать и о масштабах, проекциях, периодичности, орбитах, покрытии и других параметрах космических систем, что излишне для учебника по геоинформатике.

В последние годы стали широко использоваться уже упоминавшиеся глобальные системы позиционирования, дающие возможность получать координаты с точностью от нескольких метров до нескольких миллиметров, что в сочетании с портативными персональными ЭВМ и карманными персональными компьютерами со специализированным программным обеспечением обработки данных позволяет использовать их для полевых съемок в условиях необходимости их сверхоперативного выполнения (например, при ликвидации последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф). Интеграции ГИС и глобальных систем позиционирования посвящен подраздел 4.2.

Теперь обратимся к статистическим материалам, имеющим цифровую форму и удобным для непосредственного использования в ГИС, среди которых особо выделим государственную статистику. Основное ее предназначениедать представление об изменениях в хозяйстве, составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, наличии материальных резервов и их использовании, соотношении в развитии различных отраслей хозяйства и др.

Для получения государственной статистики на территории страны обычно используется единая методика ее сбора. В России кроме

Госкомстата страны эту работу проводят также некоторые отраслевые министерства, например Министерство путей сообщения РФо железнодорожном транспорте и т.д. Статистическая отчетность различается по периодичности, она может быть суточной, недельной, полумесячной, квартальной, полугодовой и годовой. Кроме того, отчетность может быть и единовременной.

Для упорядочения всей совокупности данных государственной службой определены группы показателей по отраслям статистики. В качестве таких групп в нашей стране использовались отрасли статистики: промышленности; природных ресурсов и окружающей среды; технического прогресса; сельского хозяйства и заготовок; капитального строительства; транспорта и связи; торговли; труда и заработной платы; населения, здравоохранения и социального обеспечения; народного образования, науки и культуры; бюджетов населения; жилищно-коммунального хозяйства и бытового обслуживания населения; материально-технического снабжения и переписей; финансов.

Каждая из отраслей характеризуется набором показателей. В качестве примера обратимся к статистике сельского хозяйства и заготовок. Так, статистика земледелия включает показатели, связанные с рациональным использованием и охраной земельных угодий, их мелиорацией и химизацией, подготовкой и проведением сельскохозяйственных работ, производством и распределением продукции земледелия, выявлением неиспользованных ресурсов производства, эффективностью и качеством работ в этой области сельского хозяйства. Широко используются показатели валового сбора сельскохозяйственных культур и их урожайности. Обширна статистика животноводства, кормов и заготовок сельскохозяйственных продуктов. Важна группа показателей основных фондов и производственных мощностей в сельском хозяйстве, а также в механизации и электрификации сельскохозяйственного производства.

Статистика труда в сельском хозяйстве включает данные о численности, составе и движении рабочей силы; об использовании фонда рабочего времени, организации труда; об определении уровня и изучении динамики производительности труда, выявлении резервов повышения производительности труда; об анализе уровня и динамике заработной платы работников сельского хозяйства. Статистика себестоимости производства сельскохозяйственной продукции характеризует деятельность предприятий. Элементы производственных затрат составляют: оплата труда с начислениями, амортизация основных средств производства, затраты на текущий ремонт машин и зданий, расход семян, кормов, удобрений, ядохимикатов и др. В пределах других сфер (вне государственной статистики) сбор статистических данных в широком масштабе и регулярно не осуществляется.

Значительный объем статистических материалов может быть получен в Госкомстате России или взят из официальных статистических изданий, выпускаемых в настоящее время в традиционном и электронном видах.

Очень важны материалы переписей, последняя из которых проведена в России в октябре 2002 г.

Широки возможности использования стационарных измерительно-наблюдательных сетей для получения, прежде всего, гидрологических и метеорологических данных, регулярный сбор и обработка которых имеет определенную историю. Так, метеорологические наблюдения включают синоптические характеристики у поверхности земли, показатели термобарического поля в свободной атмосфере (средние месячные значения давления, геопотенциала и температуры воздуха для уровня моря и основных изобарических поверхностей); данные актинометрических наблюдений (суммарная и отраженная радиация, радиационный баланс и т.д.); характеристики ветра в свободной атмосфере; нормы и аномалии средней месячной температуры воздуха; нормы месячных сумм осадков; месячные суммы осадков в процентах от нормы и еще многие другие показатели, исчисляемые несколькими десятками.

Гидрологические материалы содержат сведения о прошлом, настоящем и для некоторых элементов будущем состоянии рек, озер и водохранилищ. Данные собираются сетью из около 2000 опорных гидрометеорологических станций. Распространены и телеметрические станции, способные вести наблюдения и передавать данные в специальные центры без участия человека. Налажен автоматический сбор и хранение всего спектра данныхот срочных наблюдений до сводок за многолетние периодыво Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрометеорологической информацииМирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦЦ) в Обнинске (Калужская обл.), в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) в Санкт-Петербурге. Для этих целей собираются сведения по всем водомерным и гидрометеорологическим постам, которые до 90-х годов публиковались в виде отдельных изданий.

В массив гидрологических наблюдений входят данные: о средних, высших и низших уровнях воды; о средних месячных расходах воды; о максимальных расходах воды и слоях стока за половодье и паводки; о ледовых явлениях на реках с устойчивым и неустойчивым ледоставом; о гранулометрическом составе взвешенных, влекомых и донных наносов; о средних месячных и декадных температурах воды по бассейнам; о дождевом паводковом стоке; о расходах взвешенных наносов и мутности воды, а также ряд других данных.

Многообразны работы, проводимые для нужд океанологии. Сбор осуществляется в глобальном масштабе с использованием судов погоды, научно-исследовательских судов, плавмаяков, океанографических буйковых станций и др. Состав наблюдаемых данных включает следующие гидрометеорологические характеристики: температуру и соленость воды в приземном слое океана (моря) и на стандартных горизонтах (до глубины 500 м); направление, высоту и период ветровых волн и зыби; скорость и направление течений в поверхностном слое и на некоторых горизонтах; скорость и направление ветра на установленной высоте; температуру воздуха; температуру точки росы; атмосферное давление; общую солнечную радиацию и др. В настоящее время собираемые данные группируются в Центре океанографических данных ВНИИГМИ-МЦЦ, где они обрабатываются, контролируются и накапливаются на носителях информации, в частности на микрофильмах и магнитных лентах.

Обширные материалы могут быть получены из государственных кадастров, которые ведут Росземкадастр и Министерство природных ресурсов РФ. Например, ведение кадастра земельных участков производится Федеральной службой земельного кадастра России (Росземкадастром), лесов, вод, особо охраняемых природных территорий и месторождений и проявлений полезных ископаемыхразличными службами Министерства природных ресурсов РФ. Это обеспечивает полноценную основу (наряду с принятием основополагающих законодательных актов) для рационализации управления нашими основными национальными богатствами. Значительный объем информации содержится в Федеральных информационных ресурсах Министерства природных ресурсов РФ.

При проведении тех или иных исследований, например на стационарах, собираются сведения о характеристиках ландшафтов или при учете населения птиц, где применяются интересные методики сбора данных, но, как правило, они не координируются в государственном и тем более в глобальном масштабах. Зачастую обследования проводятся отдельными экспедициями и используются для частных научно-исследовательских работ.

Велико информационное значение справочных изданий по отдельным типам географических объектов. Кроме вышеупомянутых справочников Гидрометслужбы, Госкомстата и др., хорошим примером может быть 40-томный Каталог ледников СССР, аккумулировавший в себе разнообразные гляциологические данные, в последующем обобщенные в Атласе снежно-ледовых ресурсов мира.

Отличительная особенность текстовых материалов — отчетов экспедиций, статей, книгсостоит в том, что, имея большой фактический материал, они не всегда представлены в специально классифицированном виде и не обеспечивают точную пространственную локализацию данных. Это позволяет разделить их по пригодности для информационного обеспечения географических исследований. Во-первых, это книги и статьи обычного типа, содержащие разнообразные сведения, рассредоточенные как в региональном, так и в тематическом плане. Упорядоченному использованию подобного типа данных помогает их библиографическая каталогизация, в частности региональные каталоги географических библиотек. Определенной тематической и региональной систематизации лавины вновь поступающих текстовых материалов способствует их прохождение через Реферативный журнал, издаваемый ВИНИТИ РАН, рубрики которого нацелены именно на системное информационное обеспечение исследований.

Вторую группу составляют обобщающие тематические монографии по отдельным компонентам природы и хозяйства для крупных регионов (например, «Рельеф Земли», «Почвы мира» и др.) или комплексные географические работы (например, «Физико-географическое районирование СССР»). Близки к ним имеющие предметную и региональную направленность обобщающие глобальные и региональные географические работы, начиная от материков, океанов, крупных регионов мира (такие, как многотомное издание «География океанов», «Сохранение биоразнообразия» (2002) и др.) и заканчивая отдельными физико-географическими или экономико-географическими и политико-административными единицами «Малые реки Волжского бассейна» (под ред. Н.И.Алексеев-ского), «Геоэкология Прикаспия» (под ред. Н.С.Касимова) и др.

В заключение необходимо отметить, что в ГИС редко используется только один вид данных. Чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

Контрольные вопросы

1. Определите, что входит в понятие «картографические источники».

  1.  В чем особенности использования материалов дистанционного зондирования Земли в ГИС?
  2.  Какие органы государственной власти отвечают за ведение фондов пространственной информации в цифровом виде?
  3.  Какие из источников информации дают наиболее оперативную пространственную информацию?
  4.  Какова периодичность сбора материалов государственной статистики?
  5.  В чем недостатки использования текстовых материалов в геоинформационных системах?

7. Дайте пример комплексного представления данных в ГИС.

2.1.2. Модели пространственных данных

Информационную основу ГИС образуют цифровые представления (модели) реальности. С появлением компьютера все множество данных разделилось на два типа: цифровые и аналоговые данные. Последними стали именовать данные на традиционных «бумажных» носителях, используя этот термин как антоним цифровым данным. В отличие от аналоговой, цифровая форма представления, хранения и передачи данных реализуется в виде цифровых кодов или цифровых сигналов.

Рассматривая данные по отношению к описываемым ими объектам, говорят о цифровых моделях объектов, а применительно к пространственным объектам в ГИСо цифровых моделях пространственных объектов. Термин «цифровая модель» нельзя признать удачнымон отражает внешнюю форму их представления, а не его суть как набор логических правил построения системы из слагающих ее элементовв данном случае элементарных (атомарных) пространственных объектов, имеющих аналогии в компьютерной графике и называемых там графическими примитивами.

Цифровые по форме, по своей сути модели пространственных данных относятся к типу информационных моделей, отличных от реальных (например, физических), математических, мысленных или моделей особого типа, например картографических.

Объектом информационного моделирования в ГИС является пространственный объект. Это одно из ключевых понятий геоинформатики. Он может быть определен как цифровое представление (модель) объекта реальности (местности), содержащее его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов), или сам этот объект.

Некоторое множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной (тополого-геометрической) и непозиционной (атрибутивной) составляющих, которые образуют описание пространственного положения и тематического содержания данных соответственно.

Пространственные объекты как абстрактные представления реальных объектов и предмет информационного моделирования (цифрового описания) в ГИС разнообразны и традиционно классифицируются сообразно характеру пространственной локализации отображаемых ими объектов реальности, мерности пространства, которое они образуют, модели данных, используемой для их описания, и по другим основаниям. В рамках объектно-ориентированных моделей данные могут конструироваться в новые классы объектов, отличные от базовых или созданных ранее. Базовыми (элементарными) типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются (в скобках приведены их синонимы) следующие:

  •  точка (точечный объект) — 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами;
  •  линия (линейный объект, полилиния) — 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами (линейными сегментами или дугами);
  •  область (полигон, полигональный объект, контур, контурный объект) — 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий (дуг в векторных топологических моделях (данных) или сегментов в модели «спагетти») и идентифицируемая внутренней точкой (меткой);
  •  пиксел (пиксель, пэл) — 2-мерный объект, элемент цифрового изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате дискретизации изображения (разбиения на далее неделимые элементы растра); элемент дискретизации координатной плоскости в растровой модели (данных) ГИС;
  •  ячейка (регулярная ячейка) — 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети;
  •  поверхность (рельеф) — 2-мерный объект, определяемый не только плановыми координатами, но и аппликатой Z, которая входит в число атрибутов образующих ее объектов; оболочка тела;
  •  тело — 3-мерный (объемный) объект, описываемый тройкой (триплетом) координат, включающей аппликату Z, и ограниченный поверхностями.

Общее цифровое описание пространственного объекта включает:

  •  наименование;
  •  указание местоположения (местонахождения, локализации);
  •  набор свойств;
  •  отношения с иными объектами;
  •  пространственное «поведение».

Два последних элемента описания пространственного объекта факультативны.

Наименованием объекта служит его географическое наименование (имя собственное, если оно есть), его условный код и/или идентификатор, присваиваемый пользователем или назначаемый системой.

В зависимости от типа объекта его местоположение определяется парой (триплетом) координат (для точечного объекта) или набором координат, организованным определенным образом в рамках некоторой модели данных, о которых речь пойдет ниже. Это геометрическая часть описания данных, геометрия (метрика) рассматриваемых пространственных объектов, отличная от их семантики (непозиционных свойств).

Перечень свойств соответствует атрибутам объекта, качественным и количественным его характеристикам, которые приписываются ему в цифровом виде пользователем, могут быть получены в ходе обработки данных или генерируются системой автоматически (к последнему типу атрибутов принадлежат, например, значения площадей и периметров полигональных объектов). Существует расширенное толкование понятия атрибута объекта; последнему могут быть поставлены в соответствие любые типы данных: текст, цифровое изображение, видео- или аудиозапись, графика (включая карту), что, по существу, реализуется на практике в мультимедийных электронных атласах. Под атрибутами понимаются именно содержательные, тематические (непозиционные, непространственные) свойства объектов.

Под отношениями понимают прежде всего топологические свойства (топологию). К топологическим свойствам пространственного объекта принято относить его размерность (мерность, пространственную размерность), сообразно которой выше были выделены 0, 1, 2 и 3-мерные объекты; замкнутость, если речь идет о линейных объектах в широком смысле слова; связность; простота (отсутствие самопересечения линейных объектов и «островов» в полигоне); нахождение на границе, внутри или вне полигона; признак точечного объекта, указывающий, является ли он конечным для некоторой линии. Примерами топологических отношений объектов являются их свойства «пересекаться» (или «не пересекаться»), «касаться», «быть внутри», «содержать», «совпадать» [С.Ф.Трофимова, 2000].

Топология вместе с геометрией образует тополого-геометрическую часть описания данных, его позиционную часть.

Таким образом, в самом общем виде в пространственных данных следует различать и выделять три составные части: топологическую, геометрическую и атрибутивную — «геометрию», «топологию» и «атрибутику» цифровой модели пространственного объекта.

Четкое разделение позиционных и непозиционных данныхисторическая традиция, имеющая определенные технологические корни. Управление атрибутивной частью данных обычно возлагается на средства систем управления базами данных (СУБД), встроенных в программные средства ГИС или внешних по отношению к ним (см. 2.1.4). В наиболее яркой форме оно реализовано в рассмотренной ниже векторной модели данных, атрибуты которой представлены таблицей, хранятся и управляются СУБД, поддерживающей реляционную модель данных, а их позиционная часть, связанная с атрибутивной через идентификаторы пространственных объектов, управляется другими средствами. Модели пространственных данных такого типа получили широкое распространение и наименование геореляционных. Будучи еше недавно практически единственной и став классической, геореляционная модель не выглядит достаточно изящной. Современной альтернативой этой модели является интегрированный подход, когда и атрибутивная, и тополого-геометрическая части данных хранятся и управляются в единой среде СУБД, а также объектный и объектно-реляционный подходы (и одноименные им типы моделей данных) [Ю.К.Королев, 19981.

Объектно-ориентированный подход к моделированию пространственных объектов вводит также понятие их «пространственного поведения».

Способы организации цифровых описаний пространственных данных принято называть моделями данных по традиции, унаследованной из теоретических обобщений проектирования систем управления базами данных. Они называются также цифровыми представлениями или просто представлениями пространственных данных.

На концептуальном уровне все множество моделей пространственных данных можно разделить на три типа: модели дискретных объектов, модели непрерывных полей и модели сетей.

Типами (классами) моделей именуют также модели, различающиеся по своему внутреннему устройству. В литературе существует множество классификаций моделей и наименований конкретных моделей. Построить исчерпывающую классификацию моделей пространственных данных вряд ли возможно: чуть ниже будет показано, что особенности моделируемой предметной области и специфические требования к функциональности ГИС могут потребовать разработки и использования весьма специальных моделей данных. Кроме того, как справедливо заметил Ю. К. Королев, «их нельзя расклассифицировать по одной оси, они различаются как бы «в разные стороны» [Ю.К.Королев, 1998.С. 110]. Тем не менее в практике геоинформатики уже достаточно давно определился набор базовых моделей (представлений) пространственных данных, используемых для описания объектов размерности не более двух (планиметрических объектов):

  •  растровая модель;
  •  регулярно-ячеистая (матричная) модель;

• квадротомическая модель (квадродерево, дерево квадратов, квадрантное дерево, Q-дерево, 4-дерево);

• векторная модель:

векторная топологическая (линейно-узловая) модель;

векторная нетопологическая модель (модель «спагетти»).

Это список рекомендуемых терминов для обозначения базовых моделей данных. Он не включает модели, используемые для представления поверхностей (рельефов) и рассмотренные ниже в разделе о цифровом моделировании рельефа, а также трехмерных расширений базовых моделей и специальных типов моделей для особых объектов (например, геометрических сетей). Рассмотрим перечисленные модели более подробно.

Растровая модель данных. Модель данных, именуемая растровой взамен устаревшего наименования матричной модели данных, имеет аналогии в компьютерной графике, где растрпрямоугольная решеткаразбивает изображение на составные однородные (гомогенные) далее неделимые части, называемые пикселами

(от английского pixel, сокращение от «рісшге element* — элемент изображения), каждому из которых поставлен в соответствие некоторый код, обычно идентифицирующий цвет в той или иной системе цветов (цветовой модели). Из множества значений логических пикселов складывается цифровое изображение. Растровая модель данных в ГИС предполагает разбиение пространства (координатной плоскости) с вмещающими ее пространственными объектами на аналогичные пикселам дискретные элементы, упорядоченные в виде прямоугольной матрицы. Для цифрового описания (позиционирования) точечного объекта при этом будет достаточно указать его принадлежность к тому или иному элементу дискретизации, учитывая, что его положение однозначно определено номерами столбца и строки матрицы (при необходимости координаты пиксела, либо его центроида или любого угла могут быть вычислены). Пикселу присваивается цифровое значение, определяющее имя или семантику (атрибут) объекта. Аналогичным образом описываются линейные и полигональные объекты: каждый элемент матрицы получает значение, соответствующее принадлежности или непринадлежности к нему того или иного объекта (рис. 6).

Представление исходных полигональных объектов на рис. 6 в виде растра может показаться весьма грубым приближением их истинной формы. Однако, выбрав подходящий размер пиксела растровой модели, можно добиться пространственного разрешения (точности представления объектов), удовлетворяющего целям их цифрового описания и последующей обработки, если этому не препятствуют соображения экономии машинной памяти: двукрат-

Рис. 6. Растровая модель данных Исходные полигональные объекты ) с атрибутами (классами) А, В, С, D и Е и матрица размером 7x7 растровой модели (о), каждому элементу которой присвоено значение атрибута объекта | Картография..., I994. — С. 1981

ное увеличение разрешения ведет к четырехкратному росту объемов хранимых данных и т.д. Полученная матрица образует растровый слой с однотипными объектами; множество разнотипных объектов образует набор слоев, составляющих полное цифровое описание моделируемой предметной области. С каждым семантическим значением или кодом пиксела, кроме того, может быть связан неограниченный по длине набор (таблица) атрибутов, каждый из которых можно развернуть в производный слой, соответствующий размеру исходной матрицы. Таким образом, становится не столь обязательным разделение данных на позиционную и семантическую составляющие, отпадает необходимость в особых средствах хранения и манипулирования метрикой и семантикой пространственных данных, как это принято в векторных системах, существенно упрощаются аналитические операции, многие из которых (включая обработку запросов с логическими условиями) сводятся к попиксельным операциям с набором растровых слоев, которые могут быть легко «распараллелены».

В ГИС растрового типа (с возможностями поддержки растровой модели данных) достаточно просто могут быть реализованы функции их обработки, включая пространственный анализ. Зачастую они содержат также аппарат, получивший название «картографической алгебры» (неудачный дословный перевод с английского «тар algebra»), аналогичный по языковым средствам матричным операциям в некоторых языках программирования. Поддержка растровой модели данныххорошая предпосылка (и условие) интеграции программных продуктов ГИС со средствами цифровой обработки данных дистанционного зондирования и обработки изображений в целом.

Простота машинной реализации операций с растровыми данными находится в противоречии с другой главной их особенностьюзначительными затратами машинной памяти, требуемой для их хранения (в сравнении с объемами данных в описываемых ниже векторных моделях). Существуют способы сжатия (компрессии, упаковки) растровых данных. Простейший и достаточно популярный из нихгрупповое кодирование. Групповой код преобразует исходный растровый слой в ряд пар целых (обычно двухбайтовых) чисел, нечетные позиции которого отводятся для указания числа повторяющихся пикселов (групп) со значениями, занимающими четные позиции ряда, образуя счетчик и значение группы соответственно. Порядок просмотра исходной матрицы конвенциализируется, и в случае движения компрессора слева направо и сверху вниз (в лексикографическом порядке) матрица на рис. 6 будет свернута в одномерный массив вида:

 1D2C 1B2E3D  IB IE 1C3D4C 3D 1ВЗС ЗА 1ВЗС 1А ЗВ

4D 1А2В.

Новая пара чисел (пакет) генерируется тогда, когда изменяется группа или когда количество ее элементов превысит допустимое двухбайтовое значение счетчика.

Степень сжатия данных, в нашем примере составляющая всего около 2 %, в общем случае будет зависеть от пространственной структуры исходного растрового слоя, составляя многие порядки, а при определенных условиях приближаясь по компактности к векторным представлениям и форматам (которые сами по себе обычно настолько компактны, что не нуждаются в сжатии). Существуют различные модификации группового кода, широко используемого также для сжатия цифровых изображений.

Регулярно-ячеистая модель данных. Описанная выше растровая модель данных пригодна для цифрового представления не только пространственных объектов в ГИС, но и изображений. Примерами могут служить цифровые фотоизображения, снятые непосредственно цифровой фотокамерой или полученные путем цифрования аналоговых негативов или фотоотпечатков на сканере хорошего разрешения и далее превращенные (возвращенные) в графику на страницах иллюстрированных журналов или в семейном фотоальбоме. Данные дистанционного зондирования Землиаэроснимки и космические снимки, получаемые с борта космических платформ и других летательных аппаратов и представляющие собой, как отмечалось ранее, один из основных источников данных для ГИС, в настоящее время в существенной своей части по форме тоже цифровые, образуют класс растровых цифровых изображений, обрабатываемых программными средствами цифровой обработки изображений. Растровой цифровой копией можно назвать оцифрованную на том же сканере бумажную карту, используемую в качестве графической подложки (растровой цифровой карты-основы) в малозатратных геоинформационных проектах.

Во всех перечисленных выше случаях речь идет о цифровых растровых изображениях, образованных множеством его элементовпикселов, каждому из которых ставится в соответствие значение (код) цвета или спектрального коэффициента яркости объекта съемки. На эти далее неделимые элементы растра «разбивается» и координатная плоскость с пространственными объектами в их растровом представлении. Если атомарной единицей данных при их описании служит элемент «разбиения» территориирегулярная пространственная ячейка (территориальная ячейка) правильной геометрической формыречь идет о другой, отличной от растровой, хотя и формально с нею схожей, регулярно-ячеистой модели данных. Формальное сходство абсолютно в случае квадратной (прямоугольной) формы ячеек, хотя известны примеры регулярных (или квазирегулярных) сетей (решеток) с ячейками правильной треугольной, гексагональной или трапециевидной формы, равновеликих или квазиравновеликих. При этом сеть может строиться (разу

?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54125. Масленица 402 KB
  Ход праздника Масленица - это проводы зимы встреча весны. 1 чтец К нам сюда скорее просим приходи честной народ Фейерверки зажигайте всех нас масленица ждёт 2 чтец Люди Велено до вас довести такой указ: Заготовленный самой нашей матушкой-зимой 1 чтец Каждый год сего числа как гласит указник Людям города села выходить на праздник Чтецы хором Спешите увидеть спешите смотреть спешите скорее на праздник успеть Колокольный звон Скоморох 1. Что встречает масленица Весну А что провожает Зиму Что является символом масленицы...
54126. Масляна. Сценарій виховного заходу 67 KB
  Святково одягнені в українські національні костюми діти збираються в рекреаційній залі школи. Починається дійство Діти стукають у двері Зими але ніхто не відповідає. Як же нам бути Чи підкоримось Зимі Чи не злякались ви її погроз Знаєте діти мені стало сумно від думки що я ніколи не побачу як пробуджується наша Матінка – Земля від довгого зимового сну як зеленітимуть її луки горбочки. А ви діти хочете щоб на землі завжди була зима Діти: Ні не хочемо Ведуча: То що ж нам робити Може будемо штурмом брати цю фортецю і...
54127. Активізація пізнавальної діяльності при викладанні дисципліни «Автомобільні перевезення» з використанням інтерактивних технологій навчання 242.5 KB
  Однією з умов запоруки успіху в підготовці конкурентоспроможних фахівців є застосування інтерактивних форм навчання з метою активізації пізнавальної діяльності студентів. У Донецькому індустріальному технікумі широко застосовуються інтерактивні навчальні технології які забезпечують інтенсифікацію...
54128. МОДЕЛЮВАННЯ СУЧАСНОГО ЕФЕКТИВНОГО УРОКУ УКРАЇНСЬКОЇ ЛІТЕРАТУРИ 190.5 KB
  У застосуванні методів навчання треба бути обережним інакше ефективний урок може перетворитися на ефектний. Павленко Питання моделювання ефективного уроку є надзвичайно актуальним для сучасних педагогів що працюють в умовах особистісно орієнтованого підходу запроваджують інноваційні технології.Опрацювати методи і прийоми що...
54129. Хто працює, той і має. Майстер-клас 351.5 KB
  Українська мова Корінь слова. Спільнокореневі слова. формувати в учнів уявлення про спільнокореневі слова корінь на основі споріднених слів; розвивати вміння виділяти споріднені слова виділяти спільну частину; збагачувати словниковий запас учнів; розвивати вміння спостерігати аналізувати зіставляти; виховувати акуратність уважність у роботі. Які виросли паростки діти називають Що спільного з словом лісце корінь тому вони і називаються спільнокореневі слова.
54130. СЦЕНАРИЙ РАЙОННОГО СЕМИНАРА ФИЗИКОВ 89.5 KB
  Смещение акцентов с содержания обучения на процесс учения выражающийся в активной познавательной деятельности школьников и в овладении ими рациональными способами этой деятельности; Создание для каждого ученика возможности реализовать свою потребность в познании и в творческой деятельности; Ориентация на овладение учащимися общекультурными ценностями коммуникативной информационной культурой культурой деятельности. Деятельностный подход к обучению предполагает что...
54131. Общая характеристика низкого (витального) уровня культуры 36.5 KB
  Деление культуры по уровням, каким бы условным оно ни было, - целесообразно. Уровень культуры - это показатель ее реального состояния, предельных возможностей ее осуществления в жизни.
54132. Застосування диференціального, інтегрального обчислень та інших елементів математики в фізиці та техніці 303 KB
  Розвивати уміння узагальнювати цілісну систему знань уміння реалізувати практичні зв’язки курсу математики і фізики з майбутньою професією уміння через організацію ділової рольової гри відображувати виробничу ситуацію. Розв’язання Потужність Р в зовнішньому колі дорівнює різниці повної потужності джерела і P1=EI потужності що губиться всередині джерела Р2=I2rтобто P=P1P2 ; P=EII2r 1 – напруга зовнішнього кола як функція сили струму. Доки Мальцев Павло розв’язував задачу на дошці клас бере участь в її обговоренні. Йде засідання...
54133. Степенева функція, її графік та властивості. (Урок з використанням інформаційних технологій) 96.5 KB
  Завдання: Дослідити властивості степеневої функції y=x для різних значень параметра. Підготовка до роботи: повторення схеми дослідження функції. Домашнє завдання: закінчити заповнення таблиці: у двох останніх рядках узагальнити властивості функції для додатного та від’ємного значень показника степеня. Дослідити властивості степеневої функції у = х коли ― ціле додатне парне: 1 встановити масштаб min X = ― 5 mx X = 5 min Y = ― 5 mx Y = 5; 2 побудувати графіки функцій: 1 у = х2 2 у = х4 3 у = х8...