CC BY
35
УДК 528.926:004 С.Ф. Мазуров
ФГУП «ВостСиб АГП», Иркутск
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ПРИЕМЫ СОЗДАНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
S.F. Mazurov
East Siberian aerogeodesic enterprise (ESAGP), 14 Nignyaya Naberegnaya Ul., Irkutsk, 664011, Russian Federation
SCIENTIFIC AND METHODICAL PRINCIPLES AND RECEPTIONS OF CREATION REGIONAL GEOPHICALS INFORMATIONS SYSTEMS
The regional geographical complexes are composite natural systems requiring of the detail formal description with usage of different sorts of data structures. A regional GIS are complex products containing the different subject information, collected by different offices and subdividings. The cartographical materials of broad consumption can be accessible to a broad circle of the users through different mechanisms of cartographical servers in the network the Internet. It is necessary also to mark, that the form of data output can be mirrored in a subjective estimation of a significance of outcomes of creation of regional GIS.
Общие положения
Региональные географические комплексы являются сложными природными системами, требующими детального формального описания с использованием различных видов структур данных. Природные системы чрезвычайно динамичны в физическом отношении, подвергаются интенсивной эксплуатации и очень важны в экологическом плане. Особо острые проблемы, связанные с использованием природных комплексов, возникают в Восточной Сибири и, частности в Байкальском регионе. К числу таких проблем, прежде всего, относятся демографические проблемы, интенсивное развитие промышленности, экономическая реорганизация и пагубные последствия загрязнения окружающей среды. Из-за сложной организации региональных географических комплексов управлять ими нелегко, однако качественная и своевременная информация может помочь принимать правильные решения по использованию этих территорий.
Географическая информационная система (ГИС) - это методика представления данных, помогающая принимать адекватные решения по использованию той или иной территории. Будучи основанной на целостном и междисциплинарном подходе, ГИС облегчает анализ собранных данных и учет интересов региональных администраций, различных групп промышленности, бизнеса и населения. ГИС все чаще рассматривают в качестве главного инструмента для разработки, реализации и контроля функционирования программ, связанных с комплексным управлением природными комплексами. Использование современного
геоинформационного картографирования в рамках таких программ дает
целый ряд преимуществ. В частности, методики современных ГИС обеспечивают:
- Удобное хранение и использование крупных массивов данных;
- Эффективное распознавание пространственных соотношений;
- Возможность принимать более взвешенные решения;
- Возможность составлять высококачественные географические, экологические и другие тематические карты.
Иными словами, ГИС позволяет более эффективно использовать имеющуюся информацию для принятия решений по управлению природными ресурсами.
ГИС может использоваться и в специальных целях, к примеру:
Выявления картографическим методом зон возможных конфликтов интересов разных промышленно-хозяйственных групп, бизнеса и предпринимательства;
- Перспективного планирования развития промышленных зон, в том числе особых зон экономического развития;
- Эффективного управления факторами риска;
- Оценки воздействия различных факторов на окружающую среду;
- Привлечения общественности к управлению особыми экономическими зонами.
По сути дела, ГИС может оказаться полезной в любых ситуациях, для анализа которых важное значение имеют пространственные факторы.
К сожалению, ГИС не застрахована от сбоев в работе. Поскольку это может приводить к ошибкам в анализе ситуации, о подобных сбоях обязательно нужно информировать прочих пользователей ГИС, а также ее разработчиков. Как правило, проблемы возникают в связи со следующими процедурами:
- Сбором данных на конкретной территории;
- Определением формата используемых данных;
- Вводом данных в ГИС;
- Поддержкой заданного качества данных;
- Подключением ГИС к процессу принятия решений.
ГИС, таким образом, открывает широчайшие возможности. Но для того чтобы получить от нее реальную пользу, необходимо понимать, как работает эта система и каким образом с максимальной эффективностью можно пользоваться их преимуществами в той или иной ситуации.
Создание цифровой картографической основы для региональных
геоинформационных систем
При создании автоматизированных картографических систем (АКС) в составе муниципальных и региональных ГИС возникает комплекс
взаимоувязанных вопросов, определяющих характер, содержание и возможности использования цифровой картографической основы для территорий регионов, городов и районов. К таким вопросам относятся:
- Выбор масштаба исходных картматериалов;
- Определение содержания создаваемой цифровой карты;
- Обеспечение требуемых нормативов точности;
- Обеспечение возможностей оперативного приведения цифровой карты в соответствие с текущим состоянием местности (мониторинг);
- Обеспечение совместимости пространственно-координированных данных различного тематического (отраслевого) характера, полученных различными средствами и представленных в различных формах;
- Разработка структуры автоматизированной картографической системы, обеспечивающей эффективное многоцелевое использование цифровой карты.
Обсуждение этих вопросов часто приобретает дискуссионный характер с выдвижением противоречивых аргументов технического, организационного и экономического характера. Свою специфику этой дискуссии придают также местные условия - наличие и качество исходных картматериалов, ограниченность технических и финансовых ресурсов, расхождение интересов различных групп разработчиков и пользователей. Как правило, такая дискуссионность не является принципиальной, а возникает в результате механического переноса традиционных картографических представлений в область ГИС-технологий, где эти представления и их концептуальные основы подвергаются в настоящее время существенной трансформации [Берлянт, 1996, 1997].
Первой особенностью создаваемых цифровых карт регионов является их размер. На начальных этапах развития и становления цифрового ГИС-карто-графирования для создания региональных карт требовалось оцифровать десятки, и даже сотни номенклатурных листов существующих печатных карт. Это порождало противоречие между стремлением выбрать как можно более крупный масштаб исходных картматериалов и объемом работ по оцифровке этих материалов. В настоящее время в большинстве регионов все основные картографические материалы (в частности топографические карты) переведены в цифровую форму, и это ограничение уже не является принципиальным.
Как и в классической картографии, при выполнении геоинформационного картографирования на региональном уровне возникают вопросы выбора масштабного ряда и содержания карт. Ключевым вопросом является полнота содержания, детальность и точность создаваемой цифровой карты. Необходимо принять во внимание, что при переходе к более крупным масштабам снижается однородность всей совокупности исходных картматериалов, что проявляется в неполноте охвата территории и в разновременности листов карт и планов. Во-вторых, при визуализации
электронных карт и при документировании компьютерных карт на «твердом» носителе в мелких масштабах, необходимо многомасштабное представление данных, так как диапазон изменения масштабов от исходного до обзорного, обеспечивающего охват всей территории, может изменяться в несколько десятков, а то и сотен раз. Таким образом, проектирование масштабного ряда и содержания цифровых карт для регионального ГИС-картографирования является непременным условием создания картографически корректного и полноценного материала, отвечающего определенным требованиями и стандартам.
Отличительной особенностью цифровых карт в современных системах ГИС является их многослойный характер с потенциальной неограниченностью числа тематических слоев. При этом, если содержание первичной цифровой картографической основы в основном диктуется требованиями к содержанию топографических карт и планов, то последующее ее использование предполагает совмещение с ней тематических данных, получаемых различными способами, различающихся по точности и содержанию, представляемых в различных масштабах и проекциях, и отнесенных к различным участкам территории и моментам времени.
Точность некоторых типов тематических данных может превосходить, соответствовать или быть ниже точности исходных (базовых топографических) картматериалов. Часто тематические данные представляются на картах, проекция которых неизвестна. Кроме того, при использовании материалов аэрокосмических съемок зачастую бывает необходима фотограмметрическая обработка данных. Как следствие, возникают проблемы геопространственной привязки этих данных к цифровой карте. Другим аспектом является сбалансированное представление картографической информации в ГИС-системе при реализации электронных и компьютерных карт различных масштабов.
Третьей важной особенностью цифровых карт является их объектный характер. Если под цифровой картой понимается модель территории, а не просто графическое ее воспроизведение в принятой системе условных знаков, то должны быть определены пространственные объекты, их местоположение, характеристики и взаимосвязи. Другими словами, ГИС система должна «понимать» карту примерно так, как это делает человек, визуально воспринимая и распознавая ее. Поэтому пространственно-координированные данные должны представляться в цифровой карте в расширенном виде, сопровождаемые формализованными описательными атрибутами и топологическими связями, характеризующими определенные взаимосвязи и отношения компонент географической модели местности.
Еще одной особенностью современных систем геоинформацинного картографирования является возможность обеспечения произвольного объектообразования с формированием иерархических структур и групп любых элементов карты. При этом системы не ограничивают элементы карты
по их типам (точечный, линейный или полигональный) и размещению в различных тематических слоях.
Таким образом, данные, собираемые и размещаемые в региональных цифровых ГИС системах, как правило, являются разномасштабными, разновременными и имеющими разную пространственную и тематическую точность. Данные пространственно координируются различными способами, и образовывают многослойную иерархически организованную объектную структуру (графические слои карты с атрибутивно-топологическими связями), которая является основой геопространственной региональной модели заданной территории.
Одной из сложностей геоинформационного картографирования на региональном уровне является то, что создание цифровой картографической основы, удовлетворяющей всем предъвляемым к ней требованиям, в течение короткого периода времени практически невозможно. Поэтому единственная рационально обоснованная стратегия - признать определенную степень несовершенства создаваемой ГИС-модели (в силу очевидности ограничений описанных выше), создать первичную цифровую карту на базе имеющихся картматериалов и организовать процесс постоянного совершенствования этой системы путем мониторинга изменений реальной географической системы и внесения соответствующих корректировок в созданную ГИС-модель.
Таким образом, цифровая карта в современной ГИС системе принципиально должна рассматриваться как динамичный объект, в отличие от статичных единовременно создаваемых графических оригиналов карт и планов. Эта динамичность обеспечивается за счет оперативной обработки вновь поступающих данных (например, ДДЗ) и модификации цифровой ГИС-карты, придающей ей новые, отличные от традиционных, качества.
Сбор, обработка и анализ данных для создания региональных геоинформационных систем
Основные типы и виды данных, используемых для геоинформационного картографирования на региональном уровне, определяются различными факторами, и в первую очередь, выбранным базовым масштабом, временным диапазоном картографирования (динамика изменений или текущее состояние), и собственно тематикой создаваемой ГИС-системы. Существенную роль играет фактор наличия картографической информации в цифровом виде, готовом к непосредственному использованию. Во многих случаях графические и картматериалы в бумажной форме необходимо перевести в цифровой формат, - как в векторной (графические материалы, карты, схемы), так и в растровой (архивные изображения и аэро- и космические снимки) форме. Эти процессы как правило основаны на сканировании исходных носителей в бумажной форме с последующей векторизацией картографических материалов. Атрибутивная информация (таблицы данных, текстовые комментарии и другие неграфические материалы) в ГИС-системах как правило представлена в виде электронных таблиц и баз данных. Ввод и наполнение баз данных может быть осуществлен непосредственно вручную
ГИС-оператором или путем предварительного сканирования и автоматического распознавания текста. Независимо от конкретной технологии, ввод информации обоих видов (графический и текстовой) сопровождается внесением ошибок и неточностей.
Как отмечено выше, существуют некоторые проблемы, связанные с поддержанием максимально высокого качества данных на протяжении всего цикла планирования, разработки, создания и эксплуатации ГИС-карт регионального уровня. Необходимо также отметить, что на определенных стадиях анализа и эксплуатации созданной ГИС-модели определенные манипуляции с исходными данными (или их комбинациями) могут привести к снижению качества результирующих данных, например в результате пространственной фильтрации в процедурах генерализации векторных данных, сглаживания цифровых моделей рельефа, трансформирования и геокоррекции растровых аэро- и космических изображений и другие.
Корректно собранные, обработанные и используемые данные являются залогом качества регионального геоинформационного картографирования. Работа с данными при ГИС-картографировании как правило проходит в четыре основных этапа: первоначальный сбор, ввод данных, анализ данных и представление (геовизуализация).
Первоначальный сбор данных. Региональные ГИС-системы, как правило, являются комплексными продуктами, содержащими разноплановую тематическую информацию, собранную различными ведомствами и подразделениями. Во многих случаях системы регионального ГИС-картографирования создаются путем создания коллектива профессионалов -как специалистов в той или иной области знаний, так и профессиональных ГИС аналитиков и программистов. Как уже отмечалось выше, данные, поступающие от различных пользователей и участников проекта геоинформационного картографирования, могут быть недостоверными, иногда противоречащими друг другу. Каждый из участников совместного ГИС-проекта может интерпретировать «конфликтную ситуацию» по-своему, и, соответственно, предоставить и настаивать на использовании своих данных. Это обстоятельство заслуживает особого внимания: разрешение конфликтов данных должно быть выполнено на этапе предварительного анализа и проектирования ГИС-системы - когда все данные собраны и подготовлены к вводу в систему в определенном формате, улучшить их качество уже практически невозможно.
Ввод данных в ГИС. Как отмечалось выше, собранные данные можно вводить в ГИС различными способами. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Для того чтобы свести до минимума риск ухудшения качества данных, следует определить наиболее адекватный способ их ввода, обеспечивающий максимальную производительность и минимальный уровень вносимых погрешностей.
Анализ и манипуляция данных. Одним из преимуществ ГИС является возможность извлечения новой информации путем анализа и манипуляции имеющимися данными, организованными в пространственно
перекрывающуюся и географически привязанную многослойную структуру тематических данных. Однако любая манипуляция данными, хранящимися в ГИС, может привести к ухудшению их качества. Такую угрозу представляет, в частности, автоматическая генерализация, сглаживание и пространственная фильтрация, изменение картографических проекций, изменение масштаба данных и наложение нескольких слоев данных. Довольно часто атрибутивная информация, полученная из разных источников, является причиной существенных сбоев в организации логики данных, что ведет к существенной деградации качества семантической компоненты ГИС-карт.
Представление и визуализация данных. В большинстве ГИС-систем регионального уровня визуализация окончательной ГИС-карты является собственно результатом всего проекта. В зависимости от поставленной задачи, результат ГИС-анализа может быть представлен как в статическом виде (классическая карта - как отпечатанная на бумаге, так и сохраненная в цифровом виде в том или ином формате цифровых изображений), так и в виде динамической региональной ГИС-карты, когда пользователю предоставляется возможность генерировать различные варианты карты с использованием тех или иных тематических слоев, регулируя тематическую нагрузку и создавая, по существу, комплекс тематических карт - ГИС-атлас.
Форма вывода и представления ГИС-карт регионального уровня также должна определяться способом доступа к той или иной информации в рамках конкретного ГИС-проекта. Картматериалы узкого, ведомственного назначения, как правило, представлены в виде файлов в том или ином ГИС-формате и предназначены для использования в специализированных ГИС-программах. Картографические материалы широкого потребления могут быть доступны широкому кругу пользователей через различные механизмы картографических серверов в сети Интернет. Необходимо также отметить, что форма вывода данных может отразиться на субъективной оценке значимости результатов создания региональных ГИС-карт.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берлянт, А.М. Геоиконика / А.М. Берлянт. - М.: Астрея, 1996. - 208 с.
2. Берлянт, А.М. Геоинформационное картографирование / А.М. Берлянт. - М.: Астрея, 1997. - 64 с.
© С.Ф. Мазуров, 2009
