Географска информационна система

Географските информационни системи (ГИС) представляват съвкупност от софтуер, хардуер, данни, процедури и обучени кадри за създаване, манипулиране, съхраняване, анализ и визуализация на пространствено определени данни. Географските информационни системи се използват в различни области, като например картографията за създаване на карти, и най-вече за подпомагане на вземането на информирани решения посредством пространствено моделиране. Първите ГИС са създадени през 70-те години на 20 век в Канада.

ГИС технологията може да се използва за специфични изследвания, управление на ресурси, регионално и териториално планиране, картография и във все повече области на човешкия живот. Един от основоположниците на ГИС Jack Dangermond казва, че "Приложението на ГИС се ограничава единствено от фантазията тези които я използват".

История на развитие

Преди 35 000 години по стените на пещерите близо до Ласко, Франция, кроманьонски ловци са рисували рисунки на животните, които са ловували. Заедно с рисунките имало линии и знаци, за които се смята, че изобразяват миграционни пътища. Тези ранни следват от типичнaтa двуелементната структура на съвременните ГИС: графичен файл, свързан с база данни с атрибути. През 18 век са разработени модерни техники за изследване с цел правене на топографски карти, заедно с ранни варианти на тематична картография, например научни или статистически данни. Забележителен пример е картата на Джон Сноу от 1854 г., отразяваща епидемията от холера в Лондон, с помощта на която е локализиран източника на епидемията — една заразена помпа. Изображения на картите на Джон Сноу

Географските Информационни Системи са се развили от две независими области - цифровата картография и базите данни. Това развитие е тясно свързано с бързото нарастване на мощта на компютърните технологии и спада в техните цени, започнало от началото на 60-те години на 20 век.

Цифрова картография

През 70-те години на 20 век се развива стремежът за използване на компютрите, които да отменят ръчните картографски дейности, особено по отношение на по-трудоемките задачи, като надписване, оцветяване и др. Развитието на цифровата картография е най-вече следствие от прогреса в областта на компютърния дизайн (CAD - Computer-Aided Design). Тъй като CAD програмите са фокусирани главно в областта на инженерното чертане, много от техните графични техники са възприети и в цифровата картография. През 60-те години на 20 век силно нараства потребността от компютърни програми, които могат да извършват операции, свързани с анализа на картите, които са сложни и изискват много време когато се извършват ръчно. Някои от тези стари системи са описани по-долу:

• Системата SYnagraphic MAPping (SYMAP) е разработена през 1967 г. в Компютърната лаборатория на Висшето училище по дизайн към Харвардския университет. Нейните модули имат възможности за анализ на данните и обработка на резултатите за интерпретация на картите. Крайният продукт от модулите на тази система е фокусиран върху резултатите от анализа и не притежава високо картографско качество.
• Системата STOrage and RETrieval (STORET) е разработена през 60-те години на 20 век в Американската здравна служба. Системата стандартизира информацията, събирана от различни организации, свързана с качеството на водата. Сега тази дейност се извършва от Американската агенция по опазване на околната среда.
• Системата Dual Independent Map Encoding (DIME) е използвана през 70-те години на 20 век от Американското бюро за преброяване на населението. Тя е използвана за съставяне на цифрови карти на уличните мрежи и населението. Днес тя е вградена в популярната в САЩ система TIGER (Topologically Integrated Geographic Encoding Referencing).

Важно значение за развитието на ГИС имат и някои ранни разработки в Европа, като тези на шведския преподавател Хагерстранд, който през 1955 г. е изследвал аналитичния потенциал на пространствените данни, чрез отчитане на информация за местоположението и населението, свързана с домакинствата. Скоро след тези първоначални системи се развиват и други, като са използвани различни имена за описание на тяхната технология, като например Automated Mapping/Facilities Management (AM/FM) и Land Information Systems (LIS), коитоса в обръщение и до днес. Вследствие от тази тенденция за използване на компютрите в картографията, понастоящем повечето от картите се изработват на компютър, като малка част от създателите на карти са всъщност специалисти-картографи.

Някои от предимствата на компютърно-базираната картография, които пряко влияят върху развитието на ГИС са следните:

• По-ниска цена и по-бърза изработка;
• По-голяма гъвкавост на крайния продукт - лесна смяна на мащабите и проекциите, както и лесна преработка на картите, съобразно нуждите на потребителите;
• Възпроизвеждат се много други потребители на цифрови данни.

Въпреки това има и някои недостатъци на компютърно-базираната картография, които също влияят на развитието на ГИС:

• Малко системи са доказали, че наистина са ценово ефективни;
• Изискват се големи капитални вложения, въпреки че цените на системите спадат;

• Наблюдава се тенденция за производство на карти, които не са необходими или са с лошо качество, което влияе лошо на картографските традиции.

Връзки с бази данни

С развиване възможностите на цифровата картография са добавени и връзки към бързо разрастващите се технологии на базите данни. Използването на системи за управление на бази данни (Data Base Management Systems - DBMS) е особено важно в съвременните концепции на ГИС, тъй като се въвежда интегрирането на пространствени и непространствени данни. Системата за управление на бази данни е съвкупност от софтуер за организиране на информацията във вид на база данни. Тя може да включва модули за въвеждане на данните, проверка, съхранение, извличане, обработка, управление, сигурност и др. Развитието на релационните системи за управление на бази данни (RDBMS) е особено значимо, а системи като Oracle са широко използвани днес.

Ранни приложения

Първоначалните приложения на ГИС в САЩ и Канада са били предимно ориентирани в областта на земеползването и кадастъра и по-специално в управлението на горското стопанство, като Канадската ГИС, която влиза в действие през 1969 г. Тя е създадена с цел компютърен анализ на канадския земен фонд. Във Великобритания първите ГИС потребители са се занимавали с преобразуването на хартиените карти в цифров вид. Особено важен за въвеждане широкото използване на ГИС в Обединеното кралство бил докладът на лорд Хорлей за работа с географски данни, изнесен през 1987 г. в Комитета за науки и технологии към Камарата на лордовете.

Използване на ГИС

Интегриране на информация от различни източници

Ако може да се съотнесе информация за валежите в дадена държава към въздушни снимки на дадена област, може да се установи кои мочурища изсъхват през определени периоди от годината. Една ГИС, която може да използва информация от много на брой различни източници, може да помогне при такива анализи. Основното изискване към изходните данни е да се знае местоположението на различните стойности на променливите. Местоположението може да се обозначи с x, y и z координати за дължина, ширина и височина или чрез други географски кодове като пощенски кодове или километрични знаци по пътищата. Всяка променлива, която може да се разположи в пространството, може да се въведе в една ГИС. Няколко компютърни бази данни, които могат директно да се въведат в ГИС, се изработват от правителствени институции и неправителствени организации. В ГИС могат да бъдат въведени различни видове данни под формата на карти.

Една ГИС може също така да преобразува съществуваща информация в цифров вид, която може още да не е под формата на карта, във форми, които тя може да разпознава и използва. Например цифрови сателитни снимки, направени чрез дистанционно измерване, могат да бъдат анализирани, за да се създаде картообразен слой от цифрова информация за растителните покрития. Друг доста добре развит източник за именуване на ГИС обекти е Getty Thesaurus of Geographic Names (GTGN) — структуриран речник, съдържащ около 1 000 000 имена и друга информация за географски обекти [1].

По същия начин таблични данни от преброяване на населението или хидроложки измервания могат да се определят в географското пространство и да служат като слоеве в ГИС.

Модели на данните в ГИС

Данните в ГИС представят обекти от реалния свят (пътища, земеползване, релеф, населени места, хидрографска мрежа и т.н.) с цифрови данни. Обектите от реалния свят са два вида от гледна точка на представянето си в ГИС чрез два вида абстракции: дискретни обекти (напр. къща) и непрекъснати или индискретни (напр. количество валежи или надморска височина). Има два основни метода за представяне на данните в ГИС посредством тези двете абстракции: растерен и векторен.

Структура на растерните данни

Растерните данни се базират на равномерна мрежа от клетки, наричани пиксели, чрез която се представя изследваната площ. Положението на индивидуалните клетки (пиксели), което те заемат в даден масив, може да бъде определено по номера на реда и колоната. По дефиниция, всяка клетка е хомогенна единица, по отношение на нейните атрибути. Растерните формати се използват в сателитните и аерофото изображения, както и в растерно- базираните Географски Информационни Системи, каквито са Grass, IDRISI, Sage, UNIX ARC/INFO, разширението Spatial Analyst за ArcView и др. Съвременната тенденция при ГИС е те да предоставят възможности за работа, както с растерни, така и с векторни данни.

Предимства на растерните данни

• Съседните райони могат да бъдат анализирани.
• Възможна е работата, както с дискретни данни, например типове почви, така и с непрекъснати данни, като топография.
• Алгоритмите за обработка са по-прости и лесни за реализация и употреба, в сравнение с векторните данни.
• Съвместимост с други софтуери за работа с данни, като например приложения за дистанционни изследвания.

Структура на векторните данни

Векторните данни представят обектите като точки, линии (полилинии) и полигони. Точковият обект се описва с една единствена двойка координати X, Y. Линията се представя с ред от две или повече последователни точки, образуващи една или повече последователни отсечки. Полигонът е затворена полилиния, т.е. последователност от точки, образуващи отсечки, в която началната и крайната точка съвпадат (имат еднакви координати). По характер, векторните данни могат да бъдат геометрични и топологични. Геометричните векторни данни описват обектите единствено чрез тяхната геометрия, т.е. форма, положение, размери, посока и т.н. При топологичните данни, в допълнение към геометричните свойства се поддържа информация за пространствените взаимоотношения между обектите, т.е. къде се намира всеки обект спрямо другите обекти.

Предимства на векторните данни

• Заемат много по-малко дисково пространство (по-малки файлове), тъй като не се записват всички пиксели от дадена хомогенна площ.
• Различните типове обекти могат да бъдат възпроизведени индивидуално (поотделно), като например пътища или реки.
• Много по-лесно е привързването на разнообразна описателна информация към даден обект.
• Не се налага конвертиране на цифрованите данни, освен в редките случаи на прехвърляне на данните от една ГИС в друга.
• Графичното представяне на векторни данни, обикновено е с по-добро качество.

Преобразуване на данните

Както е възможно конвертирането на документи между две текстообработващи програми, като WordPerfect и Microsoft Word, така е възможно и преобразуването на растерни данни във векторни и обратно. Например сканирана селскостопанска карта би представлявала данни в растерен формат. Тя може да бъде конвертирана във векторен формат, в който да се съдържат различни полигони, изобразяващи площите с различни земеделски култури. Трябва да се има предвид, че докато преобразуването от векторен в растерен формат е лесен и бърз процес, то обратното конвертиране често изисква по- трудоемко “ръчно” векторизиране на данните.

Проекции и координирани системи

Основната разлика между информацията в ГИС и тази в други информационни системи е пространствената и определеност. За представянето на части от псевдосферичната форма на Земята в равнина се използва математически способ наречен картографска проекция.

Пространствен анализ с ГИС

Топология на данните

Топологията е специфична структура на данните, често използвана в ГИС. При топологията се записват пространствените взаимоотношения между обектите от картата. Когато е създадена топологична структура, например, както е при областите (coverage) при ARC/INFO, тогава във файловете с данни се знае областта, която заемат, знае се какво заобикаля обектите, разбира се каква е обстановката по свойството за разпознаване на съседните обекти и се знае как да се стигне от точка А до точка В.

Топологичните взаимовръзки се записват в серия от таблици от релационна база данни. Всяка таблица съдържа информацията за даден обект. Например, таблицата за дадена полилиния ще съдържа следната информация:

• Брой на съставящите я отсечки
• Номер на първоначалната точка
• Номер на крайната точка
• Полигона от нейната лява страна
• Полигона от нейната дясна страна

По този начин, всяка точка, линия и полигон могат да бъдат дефинирани, чрез техните съседни обекти и привързаната към тях информация.

Геокодиране

Процес на автоматично привързване на таблична база данни към географски координати.

Цифрово картографиране с ГИС

Съвременните ГИС се използват и за картографиране, въпреки че тяхната функционалност многократно надраства възможността за просто визуализиране на обекти от географското пространство.

Метаданни

Метаданните са критичен елемент от всяка ГИС. Те представляват данни за самите географски данни. Международният стандарт ISO 19115 дефинира единна схема за описание на географска информация и услуги. Посредством него се предоставя информация за естеството на данните, пространствения обхват, качеството, пространствените параметри, като изходен мащаб, координатна система, актуалността и информация за разпространението на данните и др.

Стандартът ISO 19115:2003 се прилага за инвентаризация на налични данни, с тяхното пълно описание. ISO 19115:2003 дефинира:

• минимален набор от задължителни метаданни, с най-различен тематичен обхват и предназначение (инвентаризация, пригодност на данните за определени задачи, права за достъп, механизми за обмен на данни и др.);
• допълнителни елементи, позволяващи по-висока гъвкавост при описанието на наличната информация;

ГИС в България

ГИС се използват за решаване на проблеми и задачи в МОСВ, МРРБ, МЗГ, основно в агенции под шапката на изброените министерства. Също така се използват в Столична община, Софийска вода и редица други частни фирми за решаване на задачи с геопространствен елемент.

Преподаването на ГИС е заложено в различна степен в програмите на СУ в ГГФ (в магистърска програма) и ФМИ; УАСГ; ТУ; ЛТУ.

Бъдещето на ГИС

Предимства и недостатъци на спътниковото и класическото ориентиране на местността

СПЪТНИКОВО ОРИЕНТИРАНЕ		КЛАСИЧЕСКО ОРИЕНТИРАНЕ
предимства	недостатъци	предимства	недостатъци
осъществява се за секунди	изисква скъпа апаратура	необходими са само карта и компас	за правилно ориентиране са необходими от 2 до 20, а понякога и повече минути
точността може да бъде от порядъка на сантиметри	апаратурата е енергозависима и може да аварира	ориентирането не зависи от наличието на енергоносители	точността е от порядъка на няколко десетки метра, при особено висока квалификация на ориентиращия - до няколко метра
не изисква специални знания и умения, апаратурата се настройва и ориентира автоматично	при отказ и/или грешка на апаратурата шансовете за успешно ориентиране са практически нищожни	ориентирането може да се осъществи винаги и навсякъде, когато, и където е способен да работи човек	необходимо е дълго и сложно обучение

Вижте също

Желани карти

Външни препратки

Списък на ГИС свободен софтуер или такъв с отворен код:

• Open Source GIS - голям списък на софтуер с отворен код
• Cadcorp Map Browser
• GRASS - Mirror на GRASS - най-мощният и функционален ГИС софтуерен продукт с отворен код в СУ "Св. Климент Охридски"
• gvSIG - отлична Linux, Windows и Macintosh базирана ГИС с отворен код. Подържа всички основни формати, разполага с голям брой разширения, като интерфейса ú е близък до този на ArcView.
• FreeGIS - портал за ГИС софтуер с отворен код
• MapServer - софтуер с отворен код за визуализация на географска информация в уеб
• Quantum GIS - лесен софтуер, работещ на всички основни платформи - Windows, ГНУ/Линукс и др.
• JUMP GIS
• OpenJUMP
• uDIG
• TaGISViewer
• SAGA - софтуерен продукт за анализ и манипулация на цифрови модели на релефа
• Chameleon - MapServer базирана визуализация на географска информация в уеб
• MicroDEM - софтуер за работа с цифрови модели на релефа с геологически и океанографски функции