Внедрение информационных систем в разные сферы деятельности человека находят свое место в области геодезии и смежных, связанных с ней и другими земными областями исследований. Направляясь параллельным курсом с возникновением и развитием спутниковой геодезии, информационные системы предоставили технологические, управленческие, геологические, метеорологические, картографические, транспортные, многоотраслевые возможности получения необходимой пространственной информации определенной степени точности.

Любая геоинформационная система (ГИС) - это, говоря современным языком, прежде всего проект на основе научных и практических данных с целью получения какого-то конечного результата по поставленной тематике.

ГИС - это своего рода новая форма геоизысканий, связанных на основе сбора и обработки необходимых данных методами геодезии, прикладной математики и созданных компьютерных приложений.

В словосочетании «геоинформационная система» содержатся три основополагающих слова, раскрывающих его сущность.

Со словом «гео» связаны все объекты изысканий и исследований внутри, около и на земной поверхности.

С «информационной» составляющей словосочетания связаны методы обработки и преобразования получаемой информации в необходимый цифровой графический продукт.

«Система» считается связующей составляющей, которая придает целостность всей картине исследований и объединяет все ее элементы и параметры в пространственную форму.

Геоинформационные системы можно рассматривать как программные средства, которые позволяют работать с пространственно-соотнесенной информацией, с геоизображением, но не с простым изображением, а которое зарегистрировано. Процесс регистрации (привязки) подразумевает под собой определенные действия по ориентированию изображений конкретным образом в той или иной системе координат . Именно такая возможность считается главной особенностью ГИС в отличие от других программ.

Она обладает и специальными инструментами, которые позволяют обычную карту сделать реальной моделью существующей поверхности. Так в определенный момент пришла идея карту совместить с информацией, то есть карта не сама по себе, а она обладает специальными атрибутами (описательными характеристиками), которые являются непространственными. Соотнесение пространственной информации с непространственной, увязка в единую систему и создание инструментов анализа привело к появлению ГИС конструкций. Совмещение позиционной и непозиционной информаций можно считать главным ноу-хау ГИС построений.

Структура геоинформационной системы

Геоинформационная конструкции состоит из четырех составных частей:

• Первая часть подразумевает под собой сбор данных и материалов из всевозможных первоисточников информации; существуют позиционные (с координатной привязкой) и непозиционные (описательные, в атрибутивных таблицах) первоисточники;
• Вторая часть состоит из выборки необходимых данных и ее хранения на компьютерных носителях;
• Третья часть технологическая, которая служит для систематизации, описания, сравнения, выделения, и главное анализа данных различными способами;
• Четвертая часть результирующая, с выводами окончательных результатов в требуемых формах в соответствии с техническими заданиями.

Возможности, возникающие при работе в ГИС

В процессе работы с геоинформационными системами можно сделать вывод о том, что они позволяют давать быстрые ответы на многие вопросы и принимать оптимальные решения в различных сферах деятельности человека, а именно:

• что находится в определенных районах местоположения?
• Где находится конкретный объект?
• Оценивать динамику изменений во времени, пространстве, объемах и так далее;
• какие пространственные структуры существуют?
• Позволяют осуществлять моделирование с конкретными техническими проектными условиями (например, картограмма земляных масс)

Основные функциональные возможности приложений ГИС состоят в следующем:

• Регистрации геоизображений;
• Создание новых геоизображений (векторизацмя);
• Создание баз данных и ихстатистическая обработка;
• Анализ и обработка пространственных данных (геоанализ);
• Анализ непространственных (атрибутивных) данных;
• Визуализация и картографирование;
• Хранение данных.

Виды геоинформационного строительства

Следует выделить возможности классифицировать ГИС по разным критериям:

• По территориальному признаку (глобальные, национальные, региональные, территориальные, местные)
• По тематическому признаку (геологические, сельскохозяйственные, лесные, метеорологические, городские и другие)
• По функциональным признакам (многомасштабные, пространственно-временные)

Перспективы развития геоинформационных конструкций

В настоящее время перспективными направлениями развития геоинформационного порядка считаются:

• данные дистанционного зондирования земли (все, что получаем с космических мультиспектральных снимков различного диапазона, радиоданных искусственных спутников земли);
• глобальное позиционирование (GPS технологии) с ГИС-приложениями в коммуникационном пространстве;
• интернет и геоинформационные системы (хранение информации в сети по технологии «облако», поисковые системы, другие порталы);
• ГИС телевидение;
• ГИС2 (ГИС изучающие сами себя).

Однозначное краткое определение этому явлению дать достаточно сложно. Географическая информационная система (ГИС) - это возможность нового взгляда на окружающий нас мир. Если обойтись без обобщений и образов, то ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС предоставляет новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Она автоматизирует процедуру анализа и прогноза. До начала применения ГИС лишь немногие обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия оптимальных решений, основанных на современных подходах и средствах.

В настоящее время ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни тысяч людей во всем мире. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи.

Составные части ГИС

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы.
Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам.

Данные. Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе управления пространственными данными ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

Как работает ГИС?

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т.п. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация, где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

Векторная и растровая модели. ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.

Задачи, которые решает ГИС. ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта - это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Связанные технологии. ГИС тесно связана рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанциировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.

Системы САПР способны чертежи проектов и планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами. Они основываются на небольшом числе правил объединения компонентов и имеют весьма ограниченные аналитические функции. Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять и анализировать большие базы пространственных данных.

Дистанционное зондирование и GPS. Методы дистанционного зондирования - это искусство и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования или других устройств. Эти датчики собирают данные в виде изображений и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных изображений. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.

Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

Что ГИС могут сделать для вас?

Делать пространственные запросы и проводить анализ. Способность ГИС проводить поиск в базах данных и осуществлять пространственные запросы позволила многим компаниях сэкономить миллионы долларов. ГИС помогает сократить время получения ответов на запросы клиентов; выявлять территории подходящие для требуемых мероприятий; выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью с/х культур); выявлять места разрывов электросетей. Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдать более подробное описание этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от определенной магистрали, лесопаркового массива или места работы.

Улучшить интеграцию внутри организации. Многие применяющие ГИС организации обнаружили, что одно из основных ее преимуществ заключается в новых возможностях улучшения управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных и возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Возможность совместного использования и постоянно наращиваемая и исправляемая разными структурными подразделениями база данных позволяет повысить эффективность работы как каждого подразделения, так и организации в целом. Так, компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, например водопровода, и заканчивая автоматическим определением жителей, на которых эти работы повлияют, и уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.

Принятие более обоснованных решений. ГИС, как и другие информационные технологии, подтверждает известную поговорку о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Однако, ГИС - это не инструмент для выдачи решений, а средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений, обеспечивающее ответы на запросы и функции анализа пространственных данных, представления результатов анализа в наглядном и удобном для восприятия виде. ГИС помогает, например, в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных (с разных точек зрения и по разным критериям) мест для размещения объектов и т. д. Требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и обмысливание доступных разнородных данных. Можно достаточно быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффектный и эффективный.

Создание карт. Картам в ГИС отведено особое место. Процесс создания карт в ГИС намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. Он начинается с создания базы данных. В качестве источника получения исходных данных можно пользоваться и оцифровкой обычных бумажных карт. Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать по мере необходимости. В крупных организациях созданная топографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями, при этом возможно быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

Географические информационные системы или просто геоинформационные системы (ГИС) – это управления пространственными данными. Пространственные данные , в свою очередь, это данные, описывающие местоположение объектов в пространстве, чаще всего, в виде двух или трехмерной геометрии. Геоинформационные системы позволяют выполнять с пространственными данными все то же самое, что и любые другие информационные системы со своими данными, а именно: предоставляют возможность их добавлять, удалять, обновлять, осуществлять к ним запросы, просматривать, анализировать и т.д.

Выделяют два основных формата представления пространственных данных: в виде векторной графики и в виде растров:

Растровая графика или растровое изображение это обычно двумерный массив точек, каждая из которых представлена своим цветом. Современные ГИС позволяют работать с растровыми изображениями практически любых форматов от bmp, png и jpeg и до TIFF/GeoTIFF. Используется растровая графика обычно для оформления “подложки” цифровой карты, поверх которой уже отображается векторная геометрия. За примерами далеко ходить не надо: откройте Google Maps или карты Яндекс и там вы увидите огромное количество растров. В виде векторной графики на этих картах представлено совсем немного, а именно граф дорог, границы территорий и некоторые другие объекты. Неоспоримым плюсом растровых изображений на цифровых картах является то, что они позволяют отображать огромное количество пространственной информации при относительно небольших объемах занимаемой памяти. Минусом является то, что качество изображения на растре резко снижается при значительном увеличении масштаба отображения, поэтому для разных масштабов используют растры различного территориального охвата и разрешения, которые сменяют друг друга при увеличении и уменьшении картинки. Как это происходит можно увидеть, работая с теми же Google Maps и картами Яндекс.

Векторная графика – это, собственно, геометрия, представленная в виде наборов координат. Формат представления векторной графики не хранит само изображение - оно формируется “налету“ подсистемой рендеринга (визуализации) ГИС, и поэтому качество картинки всегда высокое, независимо от текущего масштаба. Выделяют следующие виды векторных пространственных данных:

• Точечная геометрия . Используется в тех случаях, когда на заданном масштабе электронной карты важно лишь местоположение объекта. Обычно точечная геометрия и отображается в виде точки на карте определенного цвета, но некоторые ГИС позволяют заменять эту точку растровым рисунком или векторным символом, например стрелкой, условным обозначением или иконкой. Помимо координат точки, сама точечная геометрия может быть дополнительно параметризирована ориентацией на плоскости или в пространстве, что определяет угол поворота соответствующего символа или иконки на карте. Использовать точечную геометрию могут для визуализации практически любых объектов, за исключением протяженных, поскольку все зависит от масштаба карты.


• Линейная геометрия . Используется для представления объектов, для которых важно отразить их протяженность (длину) и линейную конфигурацию. К таким объектам относят дороги, реки (на мелких масштабах), участки территориальных границ и прочие подобные объекты. Опять же, на более крупных масштабах те же объекты могут уже изображаться в виде площадной геометрии.


• Площадная геометрия . Используется тогда, когда важно все: и местоположение и протяженность и площадь. К примеру, участок с домом на мелком масштабе может быть представлен точечной геометрией, а на более крупном уже площадной и линейной. Площадная геометрия – это не только полигоны, но и комплексы, состоящие из линейных фрагментов, дуг различных радиусов, а также, содержащих дыры, представленные другими полигонами.

ГИС и основы информационного моделирования

Векторная и растровая геометрия в ГИС не конкурируют между собой, а выполняют каждая свои функции. Растровая графика используется для оформления графического представления электронной карты. Она помогает ориентироваться пользователю при просмотре и поиске объектов на карте, поскольку местность чаще всего представлена аэрофотоснимками местности. Векторная графика – это средство представления на карте значимых в контексте текущей конфигурации ГИС объектов – тех объектов, данными которых управляет информационная система. Если это карта города, то в виде векторной графики обычно представлены улицы, дома, инженерные сооружения и прочие объекты городской инфраструктуры. Если это инженерные сети, к примеру, сети водоканала или теплосети, то значимыми объектами в данном случае дополнительно являются участки трубопроводов, узловые подстанции, оборудование и т.д.

К достоинствам векторной графики, помимо упомянутого выше постоянного качества изображения на любых масштабах, следует отнести возможность выбирать объекты на карте, редактировать их представление с помощью встроенных в ГИС инструментов или выполнять к таким данным пространственные запросы.

Пространственный запрос – это структурированный запрос к пространственным данным, критериями которого являются условия, связанные с координатами векторной геометрии. К примеру, можно запросить все объекты определенного типа, которые находятся внутри заданного контура, пересекают заданную границу или находятся на определенном расстоянии от заданной точки.

С пространственными данными может быть связана также любая неграфическая информация, дополнительно характеризующая тот или иной объект в системе. Более того, любой объект информационной модели в ГИС может быть представлен совокупностью пространственных объектов и наборов, связанных с ними семантических атрибутов, описывающих этот объект точно так же, как если бы он был представлен в любой неграфической системе. Допустим, если ГИС использует для хранения своих данных СУБД, то семантическая часть описания объектов - это записи в таблицах реляционной базы данных. Пример: ГИС управляет данными сетей газопровода. Объект “участок газопровода” в этом случае может быть представлен структурами линейной геометрии для просмотра сети на мелком масштабе карты; площадной геометрии для крупного масштаба и отдельной таблицей для хранения его длины, радиуса, материала и прочих технических характеристик. Довольно часто структурированные запросы к данным под управлением ГИС представляют собой симбиоз традиционных к базе данных и параметров пространственных запросов. К примеру, запрос на выбор всех участков газопровода определенного радиуса на заданной некоторым полигоном территории.

С основными принципами информационного моделирования, которые также справедливы и для ГИС вы можете познакомиться .

Из чего состоит и как работает геоинформационная система

Подсистема работы с хранилищами пространственных данных. Есть ГИС решения, которые в качестве хранилища пространственных данных используют базы данных, взаимодействуя с СУБД. Есть программные продукты, которые данные хранят в файлах собственного формата, а есть те, которые могут работать с различными источниками графической информации. Подсистема работы с хранилищами пространственных данных – это программные компоненты ГИС, ответственные за создание соединений с самими хранилищами и обмена с ними данными, в том числе, по сетевым протоколам.

Модуль управления координатными системами. Координаты, которыми представлены пространственные данные в геоинформационном хранилище могут соответствовать либо прямоугольной (декартовой), либо географической, построенной на основе эллипсоида, системе координат. Если раньше считалось, что земля круглая, то в наше время ее форма описывается довольно сложной фигурой – геоидом . Поверхность геоида совпадает с уровнем вод мирового океана, условного продолженного под материками. Эллипсоид , в свою очередь, это геометрическое место точек, полученное вращением геоида вокруг своей главной оси. Я не являюсь специалистом в геодезии, посему в тонкости построения земных систем координат вдаваться не буду, а продолжу свой рассказ с позиции пользователя ГИС. Система координат может быть также глобальной (на всю территорию земли) или локальной - предназначенной для позиционирования в определенных пределах земной поверхности. Есть локальные географические системы координат, которые для конкретной местности обладают более высокой точностью, чем мировая система координат. Достигается это за счет того, что построены такие системы координат на основе более точного в условиях данной местности локального эллипсоида (в сравнении с глобальным его описанием). Прямоугольные системы координат, по природе своей, все локальные, поскольку лишь на небольших территориях погрешность, связанная с тем, что земля все-таки не плоская, а круглая, не мешает строить относительно точные карты. Начало координат таких систем координат выбирается произвольно, а создаются они для разных целей, в том числе и для того, чтобы иметь представление о взаимном расположении объектов, но исключить в целях безопасности возможность получения их истинных (мировых) координат. Примером локальной системы координат является местная система координат города Москвы, имеющая нулевые координаты в районе главного здания МГУ.

Модуль управления координатными системами предназначен для преобразования точек из исходной системы координат хранилища пространственных данных в координаты плоскости, с которыми работает графическое ядро операционной системы, позволяющее выводить изображение на экран, принтер и другие устройства вывода. Данный модуль также ответственен за обратное преобразование: трансформацию координат точки на плоскости в координаты информационного хранилища (мировые или локальные координаты). Обратное преобразование используется в процессе редактирования (оцифровки) геометрии инструментальными средствами ГИС. Чаще всего ГИС имеет дело с системой координат WGS 84 (World Geodetic System), являющейся единой системой координат на всю территорию планеты Земля. Географическая или, как ее еще называют, геоцентрическая система координат, такая как WGS 84, является эллипсоидной системой координат, определяющей координаты объектов относительно центра масс земли. Географические системы координат отличаются друг от друга формой эллипсоида, на котором они базируются. Набор преобразований, которые применяются для трансформации координат географической системы координат в декартову систему координат, называется картографической проекцией. Другими словами, картографическая проекция – это отражение (развертывание) эллипсоида географической системы координат на плоскость. Наиболее широко распространенными проекциями являются проекция UTM (Universal Transverse Mercator) и проекция Гаусса Крюгера (ГК).

Легенда или подсистема настройки графического представления. Любое хранилище пространственных данных представлено набором объектов векторной и растровой графики. В ГИС 2D отдельные объекты пространственных данных часто называют слоями, поскольку изображение, формируемое в окне электронной карты, создается последовательно: подсистема отображения “рисует” по очереди каждый тип объектов. Таким образом, результат формирования изображения – это многослойная двухмерная картинка, где каждый последующий слой нанесен поверх предыдущего. Легенда – это основной инструмент в ГИС, при помощи которого определяется не только порядок вывода объектов на карту (порядок слоев), но и параметры их отображения (цвет, толщина линий, шрифт подписей и т.д.). С помощью легенды отдельные объекты можно включать и исключать из списка отображаемых слоев на карте. Легенда может описывать слои, которые представляют объекты, извлекаемые подсистемой работы с пространственными данными из разных соединений. К примеру, на одной карте объединяются данные топографической карты (местности) из одного источника и данные инженерных сетей (газопровод, теплосеть и т.п.) из другого источника.

Подсистема отображения. Важным параметром настройки графического представления пространственных данных является номинальный масштаб карты . Именно тогда, когда масштаб отображения данных в окне электронной карты ГИС соответствует номинальному масштабу, толщина линий, размер шрифта и прочих параметров соответствует тем, что заданы в легенде, а в условиях другого масштаба, который легко может быть изменен пользователем, толщина линий и размер шрифта будут увеличены или уменьшены соответственно. Таким образом, номинальный масштаб карты – это точка отсчета для подсистемы отображения. По какому принципу подсистема отображения формирует графическое представление пространственных данных, во многом определяется легендой конкретной карты. Рабочее место ГИС может состоять из целого набора электронных карт, каждая из которых представлена своей легендой.

Подсистема редактирования пространственных данных. Это, собственно, тот набор инструментальных пользовательских средств ГИС, которые позволяют редактировать пространственные данные. Нанесение новой или редактирование существующей геометрии обычно сводится к последовательному указанию точек на карте. При выборе этих точек модуль управления координатными системами трансформирует координаты курсора на экране в точки, соответствующие системе координат информационного хранилища. Современные системы графического ввода могут также позволять при указании точек “привязываться” к уже имеющимся данным, например, к углам или серединам отрезков ломаных линий, к точечной геометрии и т.д.

Подсистема анализа пространственных данных. Та самая подсистем, которая позволяет настраивать, выполнять и отображать результаты пространственных запросов. Параметры графического представления результатов пространственных запросов, также определяются средствами легенды.

Подсистема печати. Разновидность подсистемы отображения, предназначенная для вывода фрагментов электронных карт на принтер или плоттер (графопостроитель). К дополнительным функциям подсистемы печати, в сравнении с подсистемой вывода изображения на экран, можно отнести настройку и формирование графического представления на распечатке самой легенды, а также условного обозначения масштаба, компаса, и прочих атрибутов, необходимых для работы с бумажной версией карты.

Подсистема бизнес логики. Любые программные средства, используемые в ходе настройки работы геоинформационной системы для решения конкретной прикладной задачи или группы задач. К таким средствам может относиться и подсистема информационного моделирования предметной области, для интеграции с другими информационными системами, и , создаваемых, к примеру, на встроенном в ГИС и многое другое. Состав подсистемы бизнес логики у разных программных продуктов этого класса может существенно отличаться, а может вообще отсутствовать, поскольку все зависит от назначения конкретного решения.

Наиболее известные современные ГИС

Наиболее известными представителями программных компонентов ГИС являются продукты трех американских компаний. Это семейство решений Geomedia компании Intergraph, продукты ArcGIS компании ESRI и инструментарий MapInfo компании Pitney Bowes. В России, в силу ряда обстоятельств наиболее популярными являются последние две, хотя Geomedia во многих аспектах является более универсальным и современным продуктом. В частности, Geomedia и Geomedia Professional позволяет пользователю работать с пространственными данными различных форматов непосредственно (в том числе с данными ArcGIS и MapInfo), не прибегая к предварительным процедурам их конвертации и импорта, в то время как решения конкурентов предпочитают работать только со своими форматами данных.

P.S. Примеры проектирования подсистем ГИС на языке C# в контексте изучения объектно-ориентированного подхода в программировании, а именно: классы для работы с векторной графикой, подсистема работы с геоинформационным хранилищем, архитектура сервиса линейных преобразований и некоторые другие рассматриваются курса программирования .