Геоинформатика: назначение, методы, история развития Лекция 2 • Информатика — молодая научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности. Генетически информатика связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, так как именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и возможным. • До настоящего времени толкование термина «информатика» (в том смысле как он используется в современной научной и методической литературе) ещё не является установившимся и общепринятым. • Термин «информатика» был впервые введён в Германии Карлом Штейнбухом в 1957 году. В 1962 году этот термин был введён во французский язык Ф. Дрейфусом, который также предложил переводы на ряд других европейских языков. В советской научно-технической литературе термин «информатика» был введён А. И. Михайловым, А. И. Чёрным и Р. С. Гиляревским в 1968 году. • Отдельной наукой информатика была признана лишь в 1970-х; до этого она развивалась в составе математики, электроники и других технических наук. • Первый факультет информатики был основан в 1962 году в университете Пёрдью (Purdue University). Сегодня факультеты и кафедры информатики имеются в большинстве университетов мира. • В школах СССР учебная дисциплина «Информатика» появилась в 1985 году одновременно с первым учебником А. П. Ершова «Основы информатики и вычислительной техники». • Информат́ ика (ср. нем. Informatik, англ. Information technology, фр. Informatique) — наука о способах получения, накопления, хранения, преобразования, передачи, защиты и использования информации. Разделы информатики • Теоретическая информатика занимается теорией формальных языков и автоматов, теориями вычислимости и сложности, теорией графов, криптологией, логикой , формальной семантикой и предлагает основы для разработки компиляторов языков программирования и математические формулировки постановки проблем. • Практическая информатика обеспечивает фундаментальные понятия для решения стандартных задач, таких, как хранение и управление информацией с помощью структур данных, построения алгоритмов, модели решения общих или сложных задач. • Техническая информатика занимается аппаратной частью вычислительной техники, например основами микропроцессорной техники, компьютерных архитектур и распределенных систем. Таким образом, она обеспечивает связь с электротехникой. Компьютерная архитектура - это наука, исследующая концепции построения компьютеров. Здесь определяется и оптимизируется взаимодействие микропроцессора, памяти и периферийных контроллеров. Разделы информатики • Прикладная информатика объединяет конкретные применения информатики в тех или иных областях жизни, науки или производства, например, бизнес-информатика, геоинформатика, компьютерная лингвистика, биоинформатика и т.д. • Естественная информатика - это естественно-научное направление, изучающее процессы обработки информации в природе, мозге и человеческом обществе. Она опирается на такие классические научные направления, как теории эволюции, морфогенеза и биологии развития, системные исследования, исследования мозга, ДНК, иммунной системы и клеточных мембран, теория менеджмента и группового поведения и другие. • Геоинформатика — наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных технологий, по приложению ГИС для решения практических и научных задач. • Геоинформатика – область деятельности в географии, геологии и др. науках о Земле, в рамках которой решаются задачи сбора, хранения и обработки информации о природных и социальноэкономических системах, … понятие, обозначающее автоматическую переработку пространственно-временной информации о геосистемах различного иерархического уровня и территориального охвата (Сербенюк С.Н. 1990). • Геоинформатика – научная дисциплина, изучающая природные и социально-экономические геосистемы (их структуру, связи, динамику, функционирование в пространстве-времени) посредством компьютерного моделирования на основе баз данных и географических знаний (Берлянт А.М.). Предмет и метод • Предмет геоинформатики – пространственно-временные информационные потоки географической среды. • Метод геоинформатики – пространственно-временное информационное моделирование. • Как наука, геоинформатика рассматривает управление геосистемами, включая их инвентаризацию, оценку, прогнозирование, оптимизацию и т.п. • Как производство и технология, геоинформатика (геоинформационная индустрия) рассматривает процессы изготовления аппаратуры, создания коммерческих программных продуктов и ГИС-оболочек, баз данных, систем управления, компьютерных систем. Геоинформатика и геоматика • Геоматика - область деятельности, связанная с использованием системного подхода к выбору средств сбора, интеграции, обработки и распространения пространственных данных в континууме потоков цифровой информации. • Особенности: 1. 2. 3. оперирует пространственными данными в самом широком смысле этого слова в круг интересов входит сбор данных является средой технологической интеграции всех дисциплин, связанных с пространственными данными • Геоматика - интегрирующая технология получения и обработки пространственных данных, геоинформатика – инструмент интеграции Модели соотношения картографии (К), дистанционного зондирования (ДЗ) и геоинформационных систем (ГИС) • а – линейная модель; • б – доминирование картографии; • в – доминирование ГИС; • г – модель тройного взаимодействия (М.Берлянт) Картография, дистанционное зондирование, геоинформатика – факторы интеграции • единство объекта исследования и одна цель – отображение окружающего мира; • единство методов моделирования – графический в аналоговом и цифровом вариантах; • сходство процессов зрительного и психологического восприятия и познания геоизображения; • общность технических средств, методов и методик сбора первичных данных; • общность научно-технических средств хранения, обработки, преобразования полученных данных; • сходство компьютерных технологий, используемых для сбора, хранения и т.д. информации; • близость теоретических представлений о сущности пространственного моделирования, о науках и Земле; Картография, дистанционное зондирование, геоинформатика – факторы интеграции • различие методов сбора информации, проявляющееся в точности, детальности, пространственном охвате и синхронности съемок; • своеобразие технологий контактного и дистанционного, полевого и лабораторного исследований; • разные свойства самих моделей, проявляющиеся в степени обзорности, упорядоченности, метричности и т.д.; • недостаточная эффективность раздельного сбора, обработки данных. Геоинформатика и картография • тематические и топографические карты – главный источник пространственно-временной информации; • системы географических и прямоугольных координат и картографическая разграфка служат основой для координатной привязки всей информации, поступающей и хранящейся в ГИС; • карты – основное средство географической интерпретации и организации данных дистанционного зондирования и другой используемой в ГИС информации; • картографический анализ – один из наиболее эффективных способов выявления географических закономерностей, связей, зависимостей при формировании баз знаний, входящих в ГИС; Геоинформатика и картография • математико-картографическое и ЭВМ-картографическое моделирование – главное средство преобразования информации в процессе обеспечения принятия решений, управления, проведения экспертиз, составления прогнозов развития геосистем и т.п.; • картографическое изображение – целесообразная форма представления информации потребителям, а автоматическое изготовление оперативных и базовых карт, трехмерных картографических моделей, дисплей-фильмов – одна из главных функций ГИС. Геоинформатика и ДДЗ • появление доступных по стоимости компьютерных средств • появление эффективных методов цифровой обработки данных • совершенствование сканеров и сканерных технологий • возможность обработки файлов больших объемов • появление GPS • снятие режимов секретности с ДДЗ • повышение точностных характеристик ДДЗ • появление рынка информационных продуктов ДДЗ как сегмента рынка ГИС Геоинформатика и ДДЗ • Основа интеграции – близость технологий • Для хранения информации –базы данных • Возможность использования структуры и интегрированности обработки данных в ГИС в сочетании с развитыми специализированными методами обработки данных в системах ДДЗ Причины и предпосылки появления геоинформатики и ГИС • Накопление огромного объёма информации, статистических, картографических, аэрокосмических и других материалов. • Возникновение вопросов организации и использования обширных данных. • Потребность в хранении и упорядочении сведений в базах данных для решения разнообразных задач. • Появление (а затем и широкое распространение) компьютеров и средств периферии. Пионерный период (Конец 50-х – начало 70-х годов XX века) • Исследование принципиальных возможностей, пограничных областей знаний и технологий, наработка эмпирического опыта, первые крупные проекты и теоретические работы: - появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах, - появление цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств в 60-х, - создание программных алгоритмов и процедур графического отображения информации на дисплеях и с помощью плоттеров, - создание формальных методов пространственного анализа, - создание программных средств управления базами данных. Географическая информационная система канады (Canada Geographic Information System, CGIS) • 1963-1971 гг. • Роджер Томлинсон (Roger Tomlinson) • Анализ данных инвентаризации земель Канады, накопленных Канадской службой земельного учета • Получение статистических данных о земле, которые бы использовались при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно с/х назначения • Один из важнейших результатов – создание карт масштаба 1:50000 • Применялось самое современное оборудование (специальный экспериментальный сканер) • Выполнялось наложение и измерение площадей (ранее не использовалось в геоинформатике) • Применялась абсолютная система координат • Не было устройств для вывода графической информации Вклад ГИС Канады в становление и развитие ГИС-технологий • Использование сканирования для автоматизации процесса ввода геоданных • Расчленение картографической информации на тематические слои и разработка концептуального решения о "таблицах атрибутивных данных", что позволило разделить файлы плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и файлы, содержащие тематическую (содержательную) информацию об этих объектах. • Функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей ГИС в Швеции • ГИС земельно-учетной специализации ( в частности Шведского земельного банка данных, предназначенного для автоматизации учета земельных участков (землевладений ) и недвижимости • Основная цель: упорядочить собранный материал и облегчить к нему доступ для автоматизированного картографирования • Карты – грубые алфавитно-цифровые распечатки изображений, состоящие из букв и цифр, которые благодаря разной плотности создавали примитивный эффект полутоновых изображений Пример карты, созданной на алфавитно-цифровом печатающем устройстве ЭВМ Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа (Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) • Основана в середине 60-х гг. Говардом Фишером • Цель – разработка программных средств многофункционального компьютерного картографирования, которые стали существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС и оставались ими вплоть до начала 80-х годов. • Заложены основы картографической алгебры (Дана Томлин): семейство растровых программных средств Map Analysis Package – MAP, PMAP, aMAP Наиболее известные программные продукты гарвардской лаборатории • SYMAP – позволял создавать общегеографические карты на алфавитно-цифровых печатающих устройствах • CALFORM – переход к работам на графопостроителях • SYMVU – для трехмерных изображений • GRID-для работ с растровыми ячейками • ODYSSEY (комплексный пакет, базирующийся на векторных данных, предшественник знаменитого ARC/INFO) ГИС «первого поколения» (60-е – начало 70-х г. XX в.) • Ориентация на чисто утилитарные задачи: • Инвентаризация земельных ресурсов • Земельный кадастр • Учет в интересах совершенствования системы налогооблажения • Основная функция – ввод в машинную среду первичных учетных документов для хранения и регулярного обновления данных, обработки (агрегация и генерация итоговых отчетных статистических табличных документов) Опыт Канады и Швеции Вывод ГИС из круга баз данных общего назначения: • Введение признака пространства в число атрибутов операционных объектов • Указание координат центроидов объектов В этот период: • Формируется понятие пространственных объектов, описываемых позиционными и непозиционными атрибутами • Оформились две альтернативные линии представления, включая растровые и векторные структуры, включая топологические линейно-узловые представления • Создана технология массового цифрования карт • Поставлены и решены задачи , образующие ядро ГИС: наложение разноименных слоев, генерации буферных зон, полигонов Тиссена и другие операции манипулирования пространственными данными 1970: ГИС и картография • Тесное взаимодействие методов и средств геоинформатики с цифровыми методами картографирования и автоматизированной картографией • Начало: • Работы Ж. Бертена по печати компьютерных статистических карт на примитивных печатающих устройствах • Успехи в области автоматизированного картографирования государственных топографо-геодезических служб • Первая автоматизированная картографическая система - 1964 г. , Великобритания, Д. Бикмор. • В России формируется новое направление – математикокартографическое моделирование (В.Т. Жуков, С.Н. Серебнюк, В.С. Тикунов, 1973, 1980) 1970: ГИС И картография • Общность технической базы • Структурно-функционально единство ГИС и картографических систем • «картоцентрический » взгляд на геоинформатику, ее сущность и историю (P.A. Burrough, 1986). • Карта – инструмент географического анализа (источник данных или конечный продукт) Период государственных инициатив ранние 1970-е - ранние 1980-е гг. • Развитие крупных геоинформационных проектов поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп • Конец 60-х: необходимость использования ГИС для обработки и представления данных Национальных Переписей Населения (US Census Data). Национальные Переписи Населения (US Census Data) • Потребовалась методика, обеспечивающая корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной проблемой стала необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствовавших в анкетах переписи, в географические координаты таким образом, чтобы результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи • Разработан комплексный подход к "географии переписей" и 1970 год - год очередной Национальной Переписи США, проводимой раз в десять лет - впервые стал годом "географически локализованной переписи" Национальные Переписи Населения (US Census Data) • Был разработан специальный формат представления картографических данных DIME (Dual Independent Map Encoding), для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты • Алгоритмы обработки и представления картографических данных были заимствованы у разработчиков ГИС Канады и Гарвардской лаборатории и оформлены в виде программы POLYVRT, осуществляющей конвертирование адресов проживания в соответствующие координаты, описывающие графические сегменты улиц. Национальные Переписи Населения (US Census Data) • ВПЕРВЫЕ был широко использован ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами • Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям: • автоматизированные системы навигации • системы вывоза городских отходов и мусора • движение транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и т.д. • создана серия атласов крупных городов, содержащих результаты Переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и • Серийный выпуск больших универсальных ЭВМ – мэйнфреймов • Создание и выпуск вычислительных устройств на базе микросхем Intel 4004 и микропроцессоров 8080 • Запуск в производство персональных компьютеров Apple и IBM • Начало регулярного получения данных дистанционного зондирования Земли с помощью серии спутников LANDSAT • Разработка Систем управления базами данных (СУБД) • Создание компанией ESRI пакетов ARC/INFO и PC ArcView • • Первый в мире микропроцессор Intel 4004. (1971 г.) сравним по мощности с огромным компьютером UNIAC, занимающим объем 85 кубических метров и оснащенным 18 000 вакуумных ламп. Пользовательский период: 1980-2000 • Повышенная конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий услуг дает преимущества пользователям ГИС, доступность и "открытость" программных средств позволяет использовать и даже модифицировать программы, появление пользовательских "клубов", телеконференций, территориально разобщенных, но связанных единой тематикой пользовательских групп, возросшая потребность в геоданных, начало формирования мировой геоинформационной инфраструктуры Пользовательский период развития ГИС • Пример нового отношения к пользователям показали разработчики и владельцы геоинформационного программного продукта GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) для рабочих станций, созданного американскими военными специалистами (Army Corps of Engineers) для задач планирования природопользования и землеустройства. • Они открыли GRASS для бесплатного пользования (public-domain), включая снятие авторских прав на исходные тексты программ. В результате, пользователи и программисты могут создавать собственные приложения, интегрирующие GRASS с другими программными продуктами. • ESRI,Inc. 1994 г. – открыл для неограниченного использования ArcView 1 for Windows • Насыщение рынка программных средств для ГИС, в особенности, предназначенных для персональных компьютеров (Desktop GIS) резко увеличило область применения ГИС-технологий. • Массовый выпуск высокопроизводительных персональных ЭВМ • Объединение ЭВМ разного уровня в Итернет и локальные сети • Широкое участие коммерческих организаций в создании пространственных данных и разработке ГИС-приложений • Появление общедоступных картографических сервисов
