Географические информационные системы (ГИС)

Географические информационные системы

(ГИС)

НАУЧНО – ПРАКТИЧЕСКИЙ СЕМИНАР«Геоинформационные и навигационные технологии в транспорте и логистике» 7 октября 2014 г. Минск

Юзефович К.Ю.

Директор частного предприятия «ГеоСистемсПро»

[email protected] www.geosys.by

Из всего многообразия можно выделить три группы определений ГИС: ГИС – это информационная система (или особый случай

информационной системы), т.е. систематизированный и структурированный набор данных, имеющих пространственную привязку;

ГИС – это набор программных инструментов для обработки (сбора, хранения, поиска, анализа, манипулирования, визуализации) пространственных данных;

ГИС – это комплекс наборов данных, имеющих пространственную привязку, и аппаратно-программных средств для их обработки.

Первая группа определяет суть ГИС, вторая – ГИС-платформу, третья – конкретную реализацию ГИС-проекта

Что такое ГИС?

ГИС – это информационная система, оперирующая пространственными данными ГИС - это не информационные технологии в географии или картографии, а информационные технологии обработки географически организованной информации. Т.е. цифровая карта – это не ГИС, а лишь средство для организации данных в ГИС Создание ГИС должно осуществляться по законам создания именно автоматизированных информационных систем: определение и изучение объекта автоматизации; определение перечня задач автоматизации; выбор ГИС-платформы; проектирование системы; реализация системы; эксплуатация системы. При этом очень важно правильно определить (и оценить) потребителей информации ГИС, источники поступления информации и финансирования для эксплуатации и поддержания актуальности системы

Что такое ГИС?

Существо ГИС - способность связывать с пространственными объектами некоторую описательную (атрибутивную) информацию, которая, собственно, и открывает столь богатые функциональные возможности перед ГИС Базовый набор функций любой ГИС - возможность ответа на вопросы "что это?" указанием объекта на карте и "где это находится? " указанием объектов в БД, а также "что рядом?", "насколько рядом?", "насколько отличается?" и т.п. Исторически первое и наиболее универсальное использование ГИС - это информационно-поисковые, справочные системы ГИС - расширение технологии БД для координатно-привязанной информации ГИС - способ интеграции и структурирования информации ГИС добавляет обычным СУБД совершенно новую функциональность – использование пространственных взаимоотношений между объектами Использование геоинформационных систем становится неотъемлемой частью профессиональной деятельности многих предприятий и ведомств Скорость и простота отображения данных, возможность формирования многогранных запросов, доступ к внешним базам данных и одновременно создание и ведение внутренних баз данных, возможность интеграции с различными корпоративными информационными системами — это далеко не полный список преимуществ, которые получает пользователь, работающий с ГИС

Возможности ГИС

Большая часть информации (от 60% до 90%), с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет территориальную привязку. Поэтому перечислить все области применения ГИС просто невозможно. Этим системам можно найти применение практически в любой сфере трудовой деятельности человека ГИС эффективны во всех областях, где осуществляется учет и управление территорией и объектами на ней. Это практически все направления деятельности органов управления и администраций: земельные ресурсы и объекты недвижимости, транспорт, инженерные коммуникации, развитие бизнеса, обеспечение правопорядка и безопасности, управление ЧС, демография, экология, здравоохранение и т.д. ГИС позволяют с большой точностью учитывать координаты объектов и площади участков Благодаря возможности комплексного анализа информации ГИС позволяют наиболее объективно оценивать участки и объекты, а также могут давать точную информацию о налогооблагаемой базе

Области применения ГИС

В области транспорта ГИС давно уже показали свою эффективность благодаря возможности построения оптимальных маршрутов, как для отдельных перевозок, так и для целых транспортных систем, в масштабе отдельного города или целой страны. При этом возможность использования наиболее актуальной информации о состоянии и пропускной способности дорожной сети позволяет строить действительно оптимальные маршруты


Network Analyst

МаршрутМаршрут

Ближайшие объекты

Ближайшие объекты

Зона обслуживанияЗона обслуживания

Матрица затрат наперемещение

Матрица затрат наперемещение

Маршрутизацияфлота транспортаМаршрутизация

флота транспорта

Размещение-РаспределениеРазмещение-

Распределение

Учет коммунальной и промышленной инфраструктуры - задача сама по себе не простая. ГИС не только позволяет эффективно ее решать, но также и повысить отдачу этих данных в случае чрезвычайных ситуаций Благодаря ГИС специалисты различных ведомств могут общаться на общем языке Интеграционные возможности ГИС поистине безграничны. Эти системы позволяют вести учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка


ГИС позволяют вести мониторинг экологической ситуации и учет природных ресурсов. Они не только могут дать ответ, где сейчас находятся "тонкие места", но и благодаря возможностям моделирования подсказать, куда нужно направить силы и средства, чтобы такие "тонкие места" не возникали в будущем С помощью геоинформационных систем можно выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью сельскохозяйственных культур), места разрывов электросетей, коррозии трубопроводов и т.п. Риэлторы могут используют ГИС для поиска объектов недвижимости на определенной территории, удовлетворяющих перечню заданных параметров Компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, с помощью ГИС может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и, заканчивая автоматическим уведомлением жителей о сроках работ ГИС могут выявлять участки поверхности с заданным набором свойств, отраженных на космических и аэрофотоснимках в разных участках спектра. В этом - суть дистанционного зондирования


ГИС помогает в решении таких задач, как предоставление разнообразной информации по запросам органов планирования, разрешение территориальных конфликтов, выбор оптимальных мест для размещения объектов и т. д. При этом требуемая для принятия решений информация может быть представлена в лаконичной картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, графиками и диаграммами ГИС служат для графического построения карт и получения информации, как об отдельных объектах, так и пространственных данных об областях, например о расположении запасов природного газа, плотности транспортных коммуникаций или распределении дохода на душу населения в государстве Отмеченные на карте области во многих случаях гораздо нагляднее отражают требуемую информацию, чем десятки страниц отчетов с таблицами Историко-культурное направление, реклама, природопользование и многие другие отрасли также не обошли ГИС вниманием


Существует множество способов классификации ГИС-платформ, начиная от способа распространения и, заканчивая, способом хранения и отображения данных С точки зрения способа распространения ГИС-платформы разделяются на проприетарные (коммерческие, платные) и открытые (свободно распространяемые или open source) С точки зрения набора имеющихся функций ГИС-платформы можно условно разделить на большие (полнофункциональные, профессиональные), средние и малые (представляющие собой обычные средства визуализации) С точки зрения внутренней организации системы и модели хранения данных ГИС-платформы прошли в своем развитии путь от простейших ГИС-приложений с хранением данных на уровне файловой системы до современных мощных ГИС-платформ (в полном смысле слова «платформа") с возможностью хранения данных в специализированных расширениях промышленных СУБД

Краткий обзор рынка ГИС-платформ

Полнофункциональная ГИС-платформа должна обеспечивать: двустороннюю связь между картографическими объектами и записями базы данных; управление визуализацией объектов: выбор состава и формы отображения; работу с точечными, линейными и площадными объектами; ввод и редактирование растровых данных; поддержку топологических взаимоотношений между объектами; поддержку различных картографических проекций; геометрические измерения на карте длины, периметра, площади и др.; построение буферных зон и реализацию других пространственных операций; создание собственных условных обозначений и дополнительных элементов оформления карты; вывод высококачественных твердых копий карт; решение транспортных и других задач на графах


С точки зрения масштаба создаваемых систем можно выделить: персональные ГИС:

настольные ГИС; мобильные ГИС;

клиент-серверные ГИС масштаба: рабочей группы; предприятия (региона); государства;

распределенные ГИСкак сервис (ГИС в облаке)



ОблакоОблако

КорпорацияКорпорация

Локальная работа

Локальная работа

• Отображение• Создание• Совместное

использование• Исследование• Управление• Анализ

Web приложения

Мобильныеприложения

Настольные приложения

Только те ГИС-платформы, которые способны создавать ГИС всех перечисленных масштабов, могут претендовать на определение профессиональных ГИС-платформ

Технологические поколения ГИС-платформ: Первое поколение — одна или несколько программ, объединённых в программную систему. Для хранения используется внутренний формат данных, часто закрытый от использования правообладателем Второе поколение — основано на технологии клиент-сервер, для организации совместной работы с данными в компьютерной сети. Имеет программу-клиента для конечного пользователя и программу-сервер, которая ведёт собственную базу пространственных данных. При этом используется структура базы данных и внутренние форматы данных, часто защищённые авторскими правами. Многие системы этого поколения являются дальнейшим развитием ГИС первого поколения для организации совместной работы в компьютерной сети Третье поколение — приложение для конечного пользователя или система построенная по схеме клиент-сервер, которая для хранения пространственных данных используют одну из распространённых систем управления базами данных (Microsoft SQL Server, Oracle, MySQL, Postgre SQL и т. п.), а в последнее время – специализированные расширения этих СУБД (Microsoft Spatial, Oracle Locator/Spatial, MySQL Saptial, PostGIS и т. п.)


Не всегда можно отнести конкретную ГИС-платформу к тому или иному поколению. Часто разработчики развивают свои решения, постепенно переходя от старой модели построения системы к новой. В результате у наиболее старых и крупных разработчиков ГИС-платформ, таких как ESRI (ArcGIS), на сегодня имеются продукты, которые при необходимости позволяют построить ГИС любого из трёх технологических поколений


Использование определенных видов ГИС-платформ вошло в традицию в некоторых отраслях. Например, для целей градостроительного проектирования очень часто используют MapInfo и AutoCAD, для составления кадастровых планов, в геологии – ArcGIS, для целей создания цифровых топографических карт и обороны – ГИС «Панорама» и т.д. В настоящее время в мире насчитывается большое количество как коммерческих, так и свободно распространяемых ГИС-платформ. Одно только перечисление всех существующих ГИС-платформ заняло бы достаточно много времени. Поэтому перечислим лишь наиболее распространенные из них (в алфавитном порядке).


ArcGIS – коммерческая ГИС-платформа, для построения ГИС любого уровня. ArcGIS используется для создания, управления, анализа и визуализации любой пространственной информации, анализа отношений между объектами, моделирования географических процессов и явлений и позволяет легко создавать данные, карты, глобусы и модели в настольных программных продуктах, затем публиковать их и использовать в настольных приложениях, в веб-браузерах и в полевых условиях, через мобильные устройства.Для разработчиков ArcGIS дает все необходимые инструменты для создания собственных приложений. Платформа ArcGIS является оптимальным решением для построения корпоративных ГИС. Во всем мире инструменты ArcGIS используются для улучшения рабочих процессов организации и решения разнообразных задач на базе географического подхода: Управление активами и данными, включая интеграцию различных систем, управление территориями и услугами, управление филиалами и отношениями с клиентами; Планирование и анализ, например, прогнозирование и оценка рисков; Бизнес-приложения для создания ситуационно-аналитических центров, мониторинга и слежения; сбора данных в полевых условиях; обходов, обслуживания и эксплуатации оборудования; маршрутизации; Системы поддержки принятия решений и предоставления доступа к информации.


http://www.esri.com/

AutoCAD Map – коммерческая ГИС-платформа, предназначенная для планирования инфраструктуры и управления ею. Благодаря интеграции данных САПР и ГИС пользователи имеют возможность принимать более обоснованные проектные и управленческие решения. Благодаря интеллектуальности моделей и инструментов обеспечивается соответствие отраслевым и государственным стандартам. Интеграция пространственной информации в базу данных делает данные доступными всем специалистам, помогая повышать качество, производительность работы и эффективность управления объектами


Bentley Map – коммерческая ГИС-платформа, представляющая собой полноценную настольную ГИС, которая может использоваться для создания карт, планирования, разработки и управления инфраструктурой. Bentley Map расширяет базовые возможности системы MicroStation с целью обеспечения функций создания, поддержания и анализа геопространственных данных с высокой степенью точности. В системе предусмотрены возможности создания, хранения, ведения, анализа и совместного использования двухмерных и трехмерных геопространственных данных. Она может быть использована для построения собственных приложений ГИС. Основной задачей Bentley Map, по мнению компании-разработчика, является создание и сохранение геопространственной информации в процессе управления инфраструктурными объектами в течение всего жизненного цикла. Так, например, интуитивные инструменты редактирования трехмерных объектов позволяют создавать высококачественные пространственные данные, обеспечивая гибкость при настройке


Intergraph – коммерческая ГИС-платформа с открытой архитектурой. Платформа включает инструментальную ГИС – GeoMediaPro, и широкий набор специализированных модулей, что обеспечивает решение любых задач, связанных с обеспечением многопользовательского доступа к пространственным данным, их отображение, в том числе, и 3D, редактирование, анализ и публикацию (распространение)

gvSIG – свободная ГИС-платформа с открытым исходным кодом, предназначенная для создания, редактирования, анализа векторных карт. gvSIG — это программный продукт с исходным кодом, распространяющийся под лицензией GPL, что, в конечном счете, позволяет вносить в него свои изменения и добавлять новые функции. Уже сейчас существует большой набор плагинов, расширяющих возможности программы. gvSIG наследует принципы организации интерфейса ArcView GIS, поэтому его освоение не составит труда пользователям этой программы. gvSIG - инструментарий управления географической информацией с интуитивно понятным интерфейсом, прекрасно работающий как с растровым, так и с векторным форматам. gvSIG развивается от правительственного гранта Испании (транспортное министерство Валенсии) с 2003 года


MapInfo – коммерческая ГИС-платформа, широко используемая для цифрового картографирования. В дополнение к традиционным для СУБД функциям, MapInfo позволяет собирать, хранить, отображать, редактировать и обрабатывать картографические данные, хранящиеся в базе данных, с учетом пространственных отношений объектов. Помимо собственных форматов, MapInfo работает без конвертации с графическими данными в форматах ArcView Shape File, ESRI ArcSDE, ESRI Geodatabase (mdb), ARC/INFO E00, AutoCAD DXF/DWG, Intergraph/MicroStation Design DGN, SDTS, VPF и табличными данными в форматах Access, Excel, Lotus 1-2-3, xBASE и ASCII. Универсальный транслятор MapInfo позволяет осуществлять импорт и экспорт данных в другие ГИС и САПР системы (ESRI Shape File, AutoCAD DXF/DWG, Intergraph/MicroStation Design DGN, AtlasGIS, ARC/INFO E00). MapInfo имеет возможность работы с данными в растровых форматах GIF, JPEG, TIFF, GEO TIFF, PCX, BMP, TGA, BIL и др., включая новейшие форматы сжатого растра – ECW, MrSID, JPEG2000. Встроенный язык запросов SQL, благодаря географическому расширению, позволяет осуществлять выборки объектов с учетом их пространственных отношений. MapInfo имеет функции поиска объекта или группы объектов по различным признакам, а также их сочетаниям


Quantum GIS – свободная ГИС-платформа для профессиональной обработки пространственных данных. С помощью библиотеки GDAL поддерживается более 50 растровых и более 20 векторных форматов, включая ESRI (Shape), MapInfo (mif/mid и tab/dat), Autodesk (DXF) и другие. Имеется собственный модуль обработки растровых изображений, позволяющий выполнять геопривязку и имеющий несколько алгоритмов трансформации растров. На данный момент платформа больше представляет собой конструктор «собери сам», чем законченное решение, которое можно установить и работать в виде готового решения, как в случае с коммерческими платформами. При отсутствии затрат на покупку лицензий, затраты на внедрение системы могут быть более значительными, чем для платных систем. Практически отсутствуют законченные типовые решения для прикладных или специализированных задач, которые также распространялись бы как свободное программное обеспечение


ГИС «Панорама» – коммерческая ГИС-платформа, предлагающая обширный список программных продуктов, как универсального назначения, так и специализированные решения для той или иной области. Является одной из основных технологических платформ предприятий бывшей Роскартографии для подготовки цифровых образов традиционных топографических карт. В своем составе имеет средства создания и редактирования электронных карт в многопользовательском режиме, выполнения различных измерений и расчетов, оверлейных операций, построения 3D моделей, обработки растровых данных, построения ортофотопланов, создания матриц высот, многослойных (геологических) матриц, средства тематического картографирования, подготовки карт к изданию, работы с GPS-приемниками, обеспечения удаленного доступа к картографическим данным и т.д.


Во многом перечисленные ГИС-платформы похожи, многие из них имеют: дружелюбный и интуитивно понятный интерфейс и справочные системы; развитые средства конвертирования и подключения внешних пространственных данных (за исключением ГИС «Панорама», поддерживающей лишь геореляционную модель данных, т.е. хранение в промышленных СУБД только атрибутивных данных); средства многопользовательской работы с пространственными данными, но только ArcGIS поддерживает длинные транзакции; средства проверки пространственной связанности объектов (топологии), но только на платформе ArcGIS поддерживается межслойная топология;


Во многом перечисленные ГИС-платформы похожи, многие из них имеют: разнообразные средства обработки, анализа и тематического картографирования,– но: MapInfo, AutoCAD Map и ГИС Панорама ориентированы на локальные и региональные проекты, а ArcGIS, Bentley Map и InterGraph – на весь спектр, включая и глобальные; AutoCAD Map, Bentley Map, InterGraph и ArcGIS – полноценные 3D-системы, кроме отображения имеются 3D-редакторы; MapInfo, ArcGIS и ГИС Панорама имеют встроенные средства работы с пространственными растровыми данными, в AutoCAD Map – это дополнительный платный модуль Autodesk RasterDesign;


в ArcGIS и Autodesk реализована возможность публикации и обмена данными через организованные фирмами облачные атласы (хранилища) карт (чертежей);


Улицы

Топокарты

Демографические и тематические

Изображения

ArcGIS Online

http://orthogonal.esri.com/ArcGIS/rest/services/USHydroBase/MapServer?f=jsapi

http://bmproto.esri.com/ArcGIS/rest/services/Topo/Jan15/MapServer?f=jsapi

Во многом перечисленные ГИС-платформы похожи, многие из них имеют: разнообразные средства расширения функциональности за счёт возможности разработки дополнительного ПО, - но: AutoCAD Map и ArcGIS имеют встроенные средства программировании, а в MapInfo и ГИС Панорама – это дополнительные платные модули MapBasic и GISToolKit, соответственно; средства разработки серверных решений либо в ходят в комплект серверной поставки (ArcGIS и Autodesk), либо приобретаются за дополнительную плату (MapInfo и Панорама); в ArcGIS, Autodesk и MapInfo есть расширения сторонних разработчиков, в Панораме – лишь собственные;


Во многом перечисленные ГИС-платформы похожи, многие из них имеют: средства публикации созданных карт в виде WEB и мобильных приложений – разница лишь в количестве поддерживаемых протоколов – наибольшее количество на платформе ArcGIS, кроме того ArcGIS и Autodesk умеют публиковаться в облачных инфраструктурах; мобильные приложения ArcGIS и Autodesk бесплатные, у MapInfo и Панорамы – за дополнительную плату; модульное строение, но только ArcGIS предусматривает переход на более функциональные версии без переплаты; широкое распространение, однако, продукты ArcGIS лидируют – доля ArcGIS на мировом рынке ГИС-платформ в 2005 году составляла 29% (по данным компании Daratech), в 2013 – 44% (по данным исследовательских компаний Daratech и ARC Advisory Group, опубликованным в журнале "PC Magazine")



ESRI29%

Bentley11%

Intergraph10%Autodesk

9%

GE Energy7%

Leica Geosystems

5%

MapInfo4%

MacDonald, Dettwiler

2%

SICAD Geomatics

2%

Other21%

Daratech 2005 Worldwide GIS Software Revenue - $1658 Million

Доля программных продуктов ESRI в мировом рынке ГИС ((с) Даратек, 2005)


Объем продаж на мировом рынке ГИС ((с) Даратек, 2009)

Цитата из отчета компании Гартнер: "Компании, ищущие сильную ГИС-платформу которая поддерживает широкий круг различных прикладных решений, должны рассматривать ESRI"

1. Стремление разработчиков к поддержке стандартов OGC (Open GeoSpatial Consortium) по обмену пространственными данными, поскольку это существенно расширяет возможности интеграции их решений с существующими или создаваемыми инфраструктурами пространственных данных, как национальными, так и корпоративными. Даже если в качестве основного остаётся собственный формат файлов, в систему добавляются возможности подключения данных по стандартам WMS (Web Map Service), WFS (Web Feature Service), а также импорт и экспорт данных в формате GML (Geography Markup Language)

Тенденции развития ГИС-платформ

OGC

2. В связи с развитием рынка мобильных устройств, появлением нового класса устройств в виде планшетных компьютеров, а также перехода к 64 битным вычислениям, становится актуальной наличие версий программы под разные платформы, в том числе Windows 32x и 64x (Microsoft), Linux 32x и 64x, iOS (Apple), Android (Google). Многие ведущие разработчики программ для ГИС предлагают версии программ для мобильных систем, которые позволяют взаимодействовать с ГИС, построенными на их платформе, часто с ограниченным набором функций, обеспечивающим основные операции просмотра и поиска информации, реже - возможности редактирования данных


3. Многие разработчики включают в свои продукты возможность работы с наиболее распространёнными хранилищами пространственных данных. При этом заметна тенденция к обеспечению возможности работы с как можно большим количеством вариантов источников и хранилищ данных, в том числе объединения в одном проекте данных из разных хранилищ пространственных данных, построенных на основе разных платформ


Изменение источников данных

4. Активное использование наработок из Open Source проектов OSGeo в платных решениях, особенно среди средних и мелких разработчиков. Во многих проектах используются библиотеки GDAL и Proj 4, реализуется интеграция с хранилищем данных PostGIS. Также весьма часто предлагается использование связки MapServer + OpenLayers в качестве модуля для создания WEB-приложений для той или иной платной ГИС системы. В дальнейшем эта тенденция будет только нарастать, так как у мелких и средних фирм нет возможности привлечь такое большое количество ресурсов, в первую очередь квалифицированных разработчиков из разных областей, для разработки необходимых модулей и функций, которые имеются у сообщества OSGeo. В итоге средние и мелкие коммерческие разработчики всё больше будут концентрироваться на решении специализированных прикладных задач, используя в качестве базовой платформы работы с пространственными данным свободно распространяемое ПО, базирующееся на стандартах OGC, что будет лишь способствовать формированию единой открытой инфраструктуры пространственных данных


5. Поддержка работы с трехмерным представлением данных, как минимум, и возможность полноценного построения и качественной визуализации трехмерных моделей территорий, как максимум, становится необходимой не только для сферы развлечений или традиционных областей 3D САПР, но и для геоинформационных систем.


Уровень быстродействия современных компьютеров и наработанные методики создания и работы с 3Dмоделями территорий сегодня позволяют не только демонстрировать потенциальным заказчикам красивые картинки, часто подготовленные заранее, но и решать множество реальных задач трехмерного анализа. Из-за существенно более высоких требований к ресурсам для решения данного класса задач, более или менее приемлемые результаты могут быть получены только на 64-битных системах


3D анализ

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

Юзефович К.Ю.

Директор частного предприятия «ГеоСистемсПро»

[email protected] www.geosys.by

Documents

Географические информационные системы (ГИС)