Геоинформационная система

«ГИС» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. ГИС (значения) .

Базовая концепция ГИС

ГИС Географическая информационная система ( , ) состоит из интегрированного компьютерного оборудования и программного обеспечения которые хранят, управляют, анализируют , редактируют, выводят и визуализируют географические данные . Большая часть этого часто происходит в пространственной базе данных , однако это не обязательно для соответствия определению ГИС. В более широком смысле можно рассматривать такую ​​систему как включающую пользователей-людей и вспомогательный персонал, процедуры и рабочие процессы, совокупность знаний о соответствующих концепциях и методах, а также институциональные организации.

во множественном числе Географические информационные системы , также сокращенно ГИС, являются наиболее распространенным термином для отрасли и профессии, связанной с этими системами. Это примерно синоним геоинформатики . Академическая дисциплина, изучающая эти системы и лежащие в их основе географические принципы, также может быть сокращена как ГИС, но однозначное слово «ГИС-наука» . более распространено ГИС-науки часто считаются субдисциплиной географии в рамках отрасли технической географии .

Географические информационные системы используются во многих технологиях, процессах, техниках и методах. Они применяются к различным операциям и многочисленным приложениям, которые относятся к: проектированию, планированию, менеджменту, транспорту/логистике, страхованию, телекоммуникациям и бизнесу. По этой причине приложения ГИС и анализа местоположения лежат в основе сервисов с поддержкой определения местоположения, которые полагаются на географический анализ и визуализацию.

ГИС предоставляет возможность связывать ранее несвязанную информацию посредством использования местоположения в качестве «ключевой индексной переменной». Места и размеры, обнаруженные в пространстве-времени Земли , можно записывать с помощью даты и времени возникновения, а также координат x, y и z ; представляющие долготу ( x ), широту ( y ) и высоту ( z ). Все наземные, пространственно-временные ссылки на местоположение и протяженность должны быть связаны друг с другом и, в конечном итоге, с «реальным» физическим местоположением или протяженностью. Эта ключевая характеристика ГИС начала открывать новые возможности для научных исследований и исследований.

История и развитие

Хотя цифровая ГИС возникла в середине 1960-х годов, когда Роджер Томлинсон впервые придумал фразу «географическая информационная система». многие географические концепции и методы, которые автоматизирует ГИС, появились десятилетия назад.

Э. У. Гилберта Версия (1958) карты Джона Сноу 1855 года, посвященной в Сохо вспышке холеры , показывающая кластеры случаев холеры во время лондонской эпидемии 1854 года.

Один из первых известных случаев использования пространственного анализа произошел в области эпидемиологии в « Отчете о развитии и последствиях холеры в Париже и департаменте Сены » (1832 г.). Французский географ и Шарль картограф Пике создал карту, на которой обозначены восемь округов Парижа сорок , используя полутоновые цветовые градиенты, чтобы обеспечить визуальное представление количества зарегистрированных смертей от холеры на каждую 1000 жителей.

В 1854 году Джон Сноу , эпидемиолог и врач, смог определить источник вспышки холеры в Лондоне с помощью пространственного анализа. Сноу добился этого, нанеся на карту места жительства каждого пострадавшего, а также близлежащие источники воды. Как только эти точки были отмечены, он смог определить источник воды в кластере, который стал причиной вспышки. Это было одно из первых успешных применений географической методологии для определения источника вспышки в эпидемиологии. Хотя основные элементы топографии и темы существовали ранее в картографии , карта Сноу была уникальной благодаря использованию им картографических методов не только для изображения, но и для анализа групп географически зависимых явлений.

В начале 20-го века была развита фотоцинкография , которая позволила разделить карты на слои, например, один слой для растительности, а другой для воды. Это особенно использовалось для печати контуров — рисование их было трудоемкой задачей, но размещение их на отдельном слое означало, что над ними можно было работать без других слоев, что могло сбить с толку рисовальщика . Первоначально эта работа была нарисована на стеклянных пластинах, но позже была представлена ​​пластиковая пленка , преимущества которой, среди прочего, заключались в том, что она легче, требует меньше места для хранения и менее хрупкая. Когда все слои были готовы, их объединили в одно изображение с помощью большой технологической камеры. Когда появилась цветная печать, идея слоев также использовалась для создания отдельных печатных форм для каждого цвета. Хотя использование слоев намного позже стало одной из типичных особенностей современной ГИС, только что описанный фотографический процесс сам по себе не считается ГИС, поскольку карты были просто изображениями без базы данных, с которой можно было бы связать их.

На заре ГИС следует отметить еще два события: публикация Яна Макхарга « Дизайн с природой». и его метод наложения карт, а также введение уличной сети в систему DIME (двойное независимое кодирование карт) Бюро переписи населения США.

Первая публикация, подробно описывающая использование компьютеров для облегчения картографии, была написана Уолдо Тоблером в 1959 году. Дальнейшее развитие компьютерного оборудования , стимулированное исследованиями ядерного оружия , привело к более широкому распространению компьютерных «картографических» приложений общего назначения к началу 1960-х годов.

была разработана первая в мире действующая ГИС В 1963 году в Оттаве, Онтарио , Канада, Федеральным департаментом лесного хозяйства и развития сельских районов . Разработанная Роджером Томлинсоном , она называлась Канадской географической информационной системой (CGIS) и использовалась для хранения, анализа и обработки данных, собранных для Канадской земельной инвентаризации , попытки определить земельные ресурсы сельских районов Канады путем картирования информации о почвах . сельское хозяйство, отдых, дикая природа, водоплавающие птицы , лесное хозяйство и землепользование в масштабе 1:50 000. Для обеспечения возможности анализа также был добавлен коэффициент рейтинговой классификации.

CGIS была улучшением по сравнению с приложениями «компьютерного картографирования», поскольку предоставляла возможности хранения данных, наложения, измерения и оцифровки / сканирования. Он поддерживал национальную систему координат, охватывающую весь континент, кодировал линии как дуги с настоящей встроенной топологией и сохранял атрибуты и информацию о местоположении в отдельных файлах. В результате Томлинсон стал известен как «отец ГИС», особенно за использование наложений для продвижения пространственного анализа конвергентных географических данных. CGIS просуществовала до 1990-х годов и создала большую цифровую базу данных о земельных ресурсах в Канаде. Он был разработан как система на базе мэйнфрейма для поддержки планирования и управления федеральными и провинциальными ресурсами. Его сильной стороной был общеконтинентальный анализ сложных наборов данных . CGIS никогда не была доступна на коммерческой основе.

В 1964 году Говард Т. Фишер основал Лабораторию компьютерной графики и пространственного анализа в Гарвардской высшей школе дизайна (LCGSA 1965–1991), где был разработан ряд важных теоретических концепций обработки пространственных данных, которые к 1970-м годам получили широкое распространение. распространила оригинальный программный код и системы, такие как SYMAP, GRID и ODYSSEY, в университеты, исследовательские центры и корпорации по всему миру. Эти программы были первыми примерами программного обеспечения ГИС общего назначения, которое не было разработано для конкретной установки, и оказали большое влияние на будущее коммерческое программное обеспечение, такое как Esri ARC/INFO , выпущенное в 1983 году.

К концу 1970-х годов две общедоступные ГИС-системы ( MOSS и GRASS GIS ) находились в разработке, а к началу 1980-х годов M&S Computing (позже Intergraph ) вместе с Bentley Systems Incorporated для платформы САПР , Институтом исследований экологических систем ( ESRI ), CARIS (Компьютерная информационная система ресурсов) и ERDAS (Система анализа данных о ресурсах Земли) появились как коммерческие поставщики программного обеспечения ГИС, успешно включив многие функции CGIS, сочетая подход первого поколения к разделению пространственной и атрибутивной информации с подходом второго поколения. организации данных атрибутов в структуры базы данных.

В 1986 году появилась система отображения и анализа карт (MIDAS), первый настольный ГИС-продукт. был выпущен для операционной системы DOS . В 1990 году он был переименован в MapInfo для Windows, когда был перенесен на платформу Microsoft Windows . Это положило начало процессу перехода ГИС из исследовательского отдела в бизнес-среду.

К концу 20-го века быстрый рост различных систем был консолидирован и стандартизирован на относительно небольшом количестве платформ, и пользователи начали изучать возможность просмотра данных ГИС через Интернет , требуя формата данных и стандартов передачи. В последнее время растет число бесплатных ГИС-пакетов с открытым исходным кодом, которые работают на различных операционных системах и могут быть настроены для выполнения конкретных задач. Основной тенденцией XXI века стала интеграция возможностей ГИС с другими информационными технологиями и инфраструктурой Интернета , такими как реляционные базы данных , облачные вычисления , программное обеспечение как услуга (SAAS) и мобильные вычисления .

ГИС-программное обеспечение

Основная статья: Программное обеспечение географической информационной системы

Необходимо проводить различие между единой географической информационной системой , которая представляет собой единую установку программного обеспечения и данных для конкретного использования, а также связанное с ней оборудование, персонал и учреждения (например, ГИС для конкретного городского правительства); и программное обеспечение ГИС общего назначения , прикладная программа , предназначенная для использования во многих отдельных географических информационных системах в различных областях применения. Начиная с конца 1970-х годов, многие пакеты программного обеспечения были созданы специально для приложений ГИС. от Esri ArcGIS , включающая ArcGIS Pro и устаревшее программное обеспечение ArcMap , в настоящее время доминирует на рынке ГИС. Другие примеры ГИС включают Autodesk и MapInfo Professional , а также программы с открытым исходным кодом, такие как QGIS , GRASS GIS , MapGuide и Hadoop-GIS . Эти и другие настольные ГИС-приложения включают в себя полный набор возможностей для ввода, управления, анализа и визуализации географических данных и предназначены для самостоятельного использования.

Начиная с конца 1990-х годов, с появлением Интернета , по мере развития технологий компьютерных сетей, инфраструктура и данные ГИС начали перемещаться на серверы , обеспечивая еще один механизм предоставления возможностей ГИС. Этому способствовало установленное на сервере автономное программное обеспечение, аналогичное другому серверному программному обеспечению, такому как HTTP-серверы и системы управления реляционными базами данных , что позволяло клиентам иметь доступ к данным ГИС и инструментам обработки без необходимости установки специализированного настольного программного обеспечения. Эти сети известны как распределенные ГИС . Эта стратегия была расширена за счет Интернета и разработки облачных ГИС-платформ, таких как ArcGIS Online, и специализированного ГИС- программного обеспечения как услуги (SAAS). Использование Интернета для облегчения распределенной ГИС известно как Интернет-ГИС .

Альтернативный подход — интеграция некоторых или всех этих возможностей в другое программное обеспечение или архитектуру информационных технологий . Одним из примеров является пространственное расширение программного обеспечения объектно -реляционной базы данных , которое определяет тип данных геометрии, чтобы пространственные данные можно было хранить в реляционных таблицах, а также расширения SQL для операций пространственного анализа, таких как наложение . Другим примером является распространение геопространственных библиотек и интерфейсов прикладного программирования (например, GDAL , Leaflet , D3.js ), которые расширяют языки программирования, позволяя включать данные ГИС и их обработку в специальное программное обеспечение, включая веб-картографические сайты и геолокационные сервисы в смартфоны .

Управление геопространственными данными

Ядром любой ГИС является база данных , содержащая представления географических явлений, моделирующая их геометрию (расположение и форму), а также их свойства или атрибуты . База данных ГИС может храниться в различных формах, например, в виде набора отдельных файлов данных или единой с пространственным доступом реляционной базы данных . Сбор этих данных и управление ими обычно занимает большую часть времени и финансовых ресурсов проекта, гораздо больше, чем другие аспекты, такие как анализ и картирование.

Аспекты географических данных

ГИС использует пространственно-временное ( пространственно-временное ) местоположение в качестве ключевой индексной переменной для всей остальной информации. Подобно тому, как реляционная база данных, содержащая текст или числа, может связывать множество различных таблиц, используя общие ключевые переменные индекса, ГИС может связывать несвязанную в противном случае информацию, используя местоположение в качестве ключевой индексной переменной. Ключевым моментом является местоположение и/или протяженность в пространстве-времени.

На любую переменную, которая может быть расположена в пространстве, а также во все большей степени во времени, можно ссылаться с помощью ГИС. Местоположение или протяженность земного пространства-времени могут быть записаны как даты/время возникновения, а также координаты x, y и z, представляющие долготу , широту и высоту соответственно. Эти координаты ГИС могут представлять собой другие количественные системы временно-пространственной привязки (например, номер кадра фильма, гидрометрическая станция, указатель мили шоссе, геодезический ориентир, адрес здания, пересечение улиц, въездные ворота, зондирование глубины воды, POS или CAD) чертеж . происхождение/единицы измерения). Единицы, применяемые к записанным пространственно-временным данным, могут широко варьироваться (даже при использовании одних и тех же данных, см. картографические проекции ), но все наземные привязки пространственно-временного местоположения и протяженности в идеале должны быть связаны друг с другом и, в конечном счете, с «реальное» физическое местоположение или протяженность в пространстве-времени.

С помощью точной пространственной информации можно анализировать, интерпретировать и представлять невероятное разнообразие реальных и прогнозируемых данных прошлого или будущего. Эта ключевая характеристика ГИС начала открывать новые возможности для научных исследований поведения и моделей реальной информации, которые ранее не подвергались систематической корреляции .

Моделирование данных

Основные статьи: Модель данных (ГИС) и форматы файлов ГИС.

Данные ГИС представляют явления, существующие в реальном мире, такие как дороги, землепользование, высота над уровнем моря, деревья, водные пути и штаты. Наиболее распространенные типы явлений, представленных в данных, можно разделить на две концептуализации: дискретные объекты (например, дом, дорога) и непрерывные поля (например, количество осадков или плотность населения). Другие типы географических явлений, такие как события (например, места сражений Второй мировой войны ), процессы (например, степень пригородизации ) и массы (например, типы почвы на определенной территории), представлены реже или косвенно или моделируются в процедурах анализа, а не в данных.

Традиционно существует два основных метода хранения данных в ГИС для обоих типов ссылок на отображение абстракций: растровые изображения и векторные изображения . Точки, линии и многоугольники представляют собой векторные данные ссылок на сопоставленные атрибуты местоположения.

Новый гибридный метод хранения данных заключается в идентификации облаков точек, которые объединяют трехмерные точки с информацией RGB в каждой точке, возвращая « цветное трехмерное изображение ». Тематические карты ГИС становятся все более и более реалистично визуально описывающими то, что они призваны показать или определить.

Сбор данных

Пример аппаратного обеспечения для картографирования ( GPS и лазерный дальномер ) и сбора данных ( защищенный компьютер ). Текущая тенденция в области географических информационных систем (ГИС) заключается в том, что точное картографирование и анализ данных выполняются прямо в полевых условиях. Изображенное оборудование ( технология карт полей ) используется в основном для инвентаризации лесов , мониторинга и картографирования.

Сбор данных ГИС включает в себя несколько методов сбора пространственных данных в базу данных ГИС, которые можно сгруппировать в три категории: сбор первичных данных , прямые измерения явлений в полевых условиях (например, дистанционное зондирование , система глобального позиционирования ); сбор вторичных данных , извлечение информации из существующих источников, не представленных в форме ГИС, таких как бумажные карты, посредством оцифровки ; и передача данных , копирование существующих данных ГИС из внешних источников, таких как государственные учреждения и частные компании. Все эти методы могут потребовать значительного времени, финансов и других ресурсов.

Первичный сбор данных

Данные съемки можно вводить непосредственно в ГИС из систем сбора цифровых данных на геодезических инструментах с использованием метода, называемого координатной геометрией (COGO) . Позиции из глобальной навигационной спутниковой системы ( GNSS ), такой как система глобального позиционирования, также можно собирать и затем импортировать в ГИС. Текущая тенденция в сборе данных дает пользователям возможность использовать полевые компьютеры с возможностью редактировать данные в реальном времени, используя беспроводные соединения или автономные сеансы редактирования. Текущая тенденция заключается в использовании приложений, доступных на смартфонах и КПК – Мобильная ГИС. Этому способствовало наличие недорогих GPS-устройств картографического класса с дециметровой точностью в реальном времени. Это устраняет необходимость публиковать обработку, импортировать и обновлять данные в офисе после сбора данных на местах. Это включает в себя возможность учитывать позиции, полученные с помощью лазерного дальномера . Новые технологии также позволяют пользователям создавать карты и проводить анализ непосредственно в полевых условиях, что повышает эффективность проектов и точность картографирования.

Данные дистанционного зондирования также играют важную роль в сборе данных и состоят из датчиков, прикрепленных к платформе. Датчики включают камеры, цифровые сканеры и лидары , а платформы обычно состоят из самолетов и спутников . В Англии в середине 1990-х годов гибридные воздушные змеи и воздушные шары, называемые геликитами, впервые стали пионерами использования компактных бортовых цифровых камер в качестве бортовых геоинформационных систем. Программное обеспечение для измерения самолета с точностью до 0,4 мм использовалось для связи фотографий и измерения земли. Хеликиты недороги и собирают более точные данные, чем самолеты. Хеликиты можно использовать над дорогами, железными дорогами и городами, где беспилотные летательные аппараты запрещены (БПЛА).

В последнее время сбор аэрофотоснимков стал более доступным с помощью миниатюрных БПЛА и дронов. Например, Aeryon Scout использовался для картографирования территории площадью 50 акров с расстоянием до образца грунта 1 дюйм (2,54 см) всего за 12 минут.

Большая часть цифровых данных в настоящее время поступает в результате фотоинтерпретации аэрофотоснимков. Рабочие станции электронного копирования используются для оцифровки объектов непосредственно из стереопар цифровых фотографий. Эти системы позволяют собирать данные в двух и трех измерениях, при этом высоты измеряются непосредственно по стереопаре с использованием принципов фотограмметрии . Аналоговые аэрофотоснимки необходимо сканировать перед вводом в систему электронного копирования; для высококачественных цифровых камер этот шаг пропускается.

Спутниковое дистанционное зондирование является еще одним важным источником пространственных данных. Здесь спутники используют различные пакеты датчиков для пассивного измерения коэффициента отражения частей электромагнитного спектра или радиоволн, излучаемых активным датчиком, например радаром. Дистанционное зондирование собирает растровые данные, которые могут быть дополнительно обработаны с использованием различных каналов для идентификации объектов и классов, представляющих интерес, например, земного покрова.

Вторичный сбор данных

Дополнительная информация: Оцифровка.

Наиболее распространенным методом создания данных является оцифровка , при которой печатная карта или план съемки передаются на цифровой носитель с помощью программы САПР и возможностей географической привязки. Благодаря широкой доступности орто-исправленных изображений (со спутников, самолетов, «Геликитов» и БПЛА) оцифровка изображений становится основным способом извлечения географических данных. Оцифровка «головой вниз» предполагает отслеживание географических данных непосредственно поверх аэрофотоснимков вместо традиционного метода отслеживания географической формы на отдельном планшете для оцифровки (оцифровка «головой вниз»). При оцифровке «головой вниз», или ручной оцифровке, используется специальная магнитная ручка или стилус, который вводит информацию в компьютер для создания идентичной цифровой карты. В некоторых планшетах вместо стилуса используется инструмент, похожий на мышь, называемый шайбой. Шайба имеет небольшое окошко с перекрестием, которое позволяет повысить точность и определить особенности карты. Хотя оцифровка «головой вверх» используется чаще, оцифровка «головой вниз» по-прежнему полезна для оцифровки карт низкого качества.

Существующие данные, напечатанные на бумаге или картах ПЭТ-пленки, можно оцифровать или отсканировать для получения цифровых данных. Дигитайзер создает векторные данные, когда оператор отслеживает точки, линии и границы полигонов на карте. В результате сканирования карты получаются растровые данные, которые можно в дальнейшем обработать для получения векторных данных.

При сборе данных пользователь должен учитывать, следует ли собирать данные с относительной или абсолютной точностью, поскольку это может повлиять не только на то, как информация будет интерпретироваться, но и на стоимость сбора данных.

После ввода данных в ГИС данные обычно требуют редактирования, удаления ошибок или дальнейшей обработки. Для векторных данных их необходимо сделать «топологически корректными», прежде чем их можно будет использовать для какого-либо расширенного анализа. Например, в дорожной сети линии должны соединяться с узлами на перекрестках. Такие ошибки, как недолеты и перелеты, также необходимо удалять. Для отсканированных карт может потребоваться удалить дефекты исходной карты из полученного растра . Например, пятнышко грязи может соединить две линии, которые не следует соединять.

Проекции, системы координат и регистрация

Основная статья: Пространственная система отсчета

Земля может быть представлена ​​различными моделями, каждая из которых может предоставлять различный набор координат (например, широту, долготу, высоту) для любой заданной точки на поверхности Земли. Самая простая модель — предположить, что Земля представляет собой идеальную сферу. По мере того, как накапливалось больше измерений Земли, модели Земли становились более сложными и точными. Фактически, существуют модели, называемые датумами , которые применяются к различным областям Земли для обеспечения повышенной точности, например, Североамериканский датум 1983 года для измерений в США и Всемирная геодезическая система для измерений по всему миру.

Широта и долгота на карте, составленной по местным данным, могут не совпадать с широтой, полученной с помощью GPS-приемника . Преобразование координат из одной базы данных в другую требует преобразования датума , такого как преобразование Гельмерта , хотя в некоторых ситуациях простого перевода может быть достаточно.

В популярном программном обеспечении ГИС данные, проецируемые по широте/долготе, часто представляются в виде географической системы координат . Например, данные по широте/долготе, если датумом является « Североамериканский датум 1983 года», обозначаются как «GCS North American 1983».

Качество данных

Дополнительная информация: Качество данных.

Хотя ни одна цифровая модель не может быть идеальным представлением реального мира, важно, чтобы данные ГИС были высокого качества. В соответствии с принципом гомоморфизма данные должны быть достаточно близки к реальности, чтобы результаты процедур ГИС правильно соответствовали результатам реальных процессов. Это означает, что не существует единого стандарта качества данных, поскольку необходимая степень качества зависит от масштаба и цели задач, для которых они будут использоваться. Для данных ГИС важны несколько элементов качества данных:

Точность

Степень сходства между представленным измерением и фактическим значением; и наоборот, ошибка — это величина разницы между ними. В данных ГИС важна точность представления местоположения ( точность позиционирования ), свойств ( точность атрибутов ) и времени. Например, перепись населения США 2020 года показывает, что население Хьюстона на 1 апреля 2020 года составляло 2 304 580 человек; если бы на самом деле это было 2 310 674, это было бы ошибкой и, следовательно, недостаточной точностью атрибута.

Точность

Степень уточнения представленного значения. В количественном свойстве это количество значащих цифр в измеряемой величине. Неточное значение является расплывчатым или двусмысленным, включая диапазон возможных значений. Например, если бы кто-то сказал, что население Хьюстона на 1 апреля 2020 года составляло «около 2,3 миллиона человек», это утверждение было бы неточным, но, вероятно, точным, поскольку включено правильное значение (и множество неправильных значений). Как и в случае с точностью, представления о местоположении, собственности и времени могут быть более или менее точными. Разрешение — это часто используемое выражение точности позиционирования, особенно в наборах растровых данных. Масштаб тесно связан с точностью на картах, поскольку он определяет желаемый уровень пространственной точности, но проблематичен в ГИС, где набор данных может отображаться в различных масштабах отображения (включая масштабы, которые не подходят для качества изображения). данные).

Неопределенность

Общее признание наличия ошибок и неточностей в географических данных. То есть это определенная степень общего сомнения, поскольку трудно точно узнать, какая ошибка присутствует в наборе данных, хотя можно попытаться выполнить некоторую форму оценки ( доверительный интервал такой оценкой неопределенности является ). Иногда это используется как собирательный термин для всех или большинства аспектов качества данных.

Неясность или нечеткость

Степень, в которой аспект (местоположение, свойство или время) явления по своей сути является неточным, а не неточность измеренного значения. Например, пространственная протяженность агломерации неопределенна Хьюстона , поскольку на окраинах города есть места, которые менее связаны с центром города (измеряется с помощью таких видов деятельности, как поездки на работу ), чем места, которые находятся ближе. Математические инструменты, такие как теория нечетких множеств, обычно используются для управления неопределенностью географических данных.

Полнота

Степень, в которой набор данных представляет все фактические функции, которые он должен включать. Например, если в слое «Дороги Хьюстона » отсутствуют некоторые реальные улицы, он является неполным.

Валюта

Самый последний момент времени, когда набор данных утверждает, что является точным представлением реальности. Это проблема большинства ГИС-приложений, которые пытаются представить мир «в настоящее время», и в этом случае старые данные имеют более низкое качество.

Последовательность

Степень, в которой представления многих явлений в наборе данных правильно соответствуют друг другу. Согласованность топологических отношений между пространственными объектами является особенно важным аспектом согласованности. Например, если бы все линии уличной сети были случайно перемещены на 10 метров к востоку, они были бы неточными, но все же согласованными, поскольку они все равно правильно соединялись бы на каждом перекрестке, а инструменты сетевого анализа, такие как кратчайший путь, все равно давали бы результаты. правильные результаты.

Распространение неопределенности

Степень, в которой качество результатов методов пространственного анализа и других инструментов обработки зависит от качества входных данных. Например, интерполяция — это распространенная операция, используемая в ГИС во многих отношениях; поскольку он генерирует оценки значений между известными измерениями, результаты всегда будут более точными, но менее определенными (поскольку каждая оценка имеет неизвестную величину ошибки).

Качество набора данных во многом зависит от его источников и методов, использованных для его создания. Геодезисты смогли обеспечить высокий уровень точности позиционирования, используя современное GPS- оборудование, но местоположение GPS на обычном смартфоне гораздо менее точное. Общие наборы данных, такие как цифровые изображения местности и аэрофотоснимки. доступны в широком диапазоне уровней качества, особенно пространственной точности. Бумажные карты, которые уже много лет оцифровываются в качестве источника данных, также могут быть самого разного качества.

Количественный анализ карт выдвигает на первый план вопросы точности. Электронное и другое оборудование, используемое для проведения измерений в ГИС, гораздо более точное, чем машины для обычного анализа карт. Все географические данные по своей сути неточны, и эти неточности будут распространяться через операции ГИС способами, которые трудно предсказать.

Преобразование растрового изображения в векторное

Реструктуризация данных может быть выполнена ГИС для преобразования данных в различные форматы. Например, ГИС можно использовать для преобразования карты спутникового изображения в векторную структуру путем создания линий вокруг всех ячеек с одинаковой классификацией и одновременного определения пространственных отношений ячеек, таких как смежность или включение.

Более продвинутая обработка данных может происходить с помощью обработки изображений — метода, разработанного в конце 1960-х годов НАСА и частным сектором для обеспечения повышения контрастности, передачи ложных цветов и множества других методов, включая использование двумерных преобразований Фурье . Поскольку цифровые данные собираются и хранятся различными способами, эти два источника данных могут быть не полностью совместимы. Таким образом, ГИС должна иметь возможность преобразовывать географические данные из одной структуры в другую. При этом неявные предположения, лежащие в основе различных онтологий и классификаций, требуют анализа. Объектные онтологии приобретают все большую известность благодаря объектно-ориентированному программированию и постоянной работе Барри Смита и его коллег.

Пространственный ETL

Инструменты пространственного ETL предоставляют функции обработки данных традиционного программного обеспечения для извлечения, преобразования и загрузки (ETL), но с основным упором на возможность управления пространственными данными. Они предоставляют пользователям ГИС возможность переводить данные между различными стандартами и собственными форматами, одновременно геометрически преобразовывая данные в пути. Эти инструменты могут представлять собой надстройки к существующему программному обеспечению более широкого назначения, например, к электронным таблицам .

Пространственный анализ

Дополнительная информация: Пространственный анализ.

Пространственный анализ ГИС — быстро меняющаяся область, и пакеты ГИС все чаще включают аналитические инструменты в качестве стандартных встроенных средств, дополнительных наборов инструментов, надстроек или «аналитиков». Во многих случаях они предоставляются первоначальными поставщиками программного обеспечения (коммерческими поставщиками или совместными некоммерческими группами разработчиков), тогда как в других случаях средства были разработаны и предоставлены третьими сторонами. Кроме того, многие продукты предлагают комплекты разработки программного обеспечения (SDK), языки программирования и языковую поддержку, средства написания сценариев и/или специальные интерфейсы для разработки собственных аналитических инструментов или их вариантов. Повышенная доступность создала новое измерение бизнес-аналитики, названное « пространственным интеллектом », которое, будучи открыто предоставлено через интранет, демократизирует доступ к географическим данным и данным социальных сетей. Геопространственный интеллект , основанный на пространственном анализе ГИС, также стал ключевым элементом безопасности. ГИС в целом можно описать как преобразование в векторное представление или любой другой процесс оцифровки.

Геообработка — это операция ГИС, используемая для управления пространственными данными. Типичная операция геообработки берет входной набор данных , выполняет операцию над этим набором данных и возвращает результат операции в виде выходного набора данных. Общие операции геообработки включают наложение географических объектов, выбор и анализ объектов, обработку топологии , растровую обработку и преобразование данных. Геообработка позволяет определять, управлять и анализировать информацию, используемую для формирования решений.

Анализ местности

Модель отмывки холмов получена на основе цифровой модели рельефа местности Валестра на севере Апеннин (Италия).

Основная статья: Геоморфометрия

См. также: Градиент поверхности.

Многие географические задачи связаны с рельефом местности , формой поверхности земли, например гидрология , земляные работы и биогеография . Таким образом, данные о местности часто являются основным набором данных в ГИС, обычно в форме растровой цифровой модели рельефа (DEM) или нерегулярной триангулированной сети (TIN). В большинстве программ ГИС доступны различные инструменты для анализа местности, часто путем создания производных наборов данных, которые представляют определенный аспект поверхности. Некоторые из наиболее распространенных включают в себя:

• Уклон или уклон — это крутизна или уклон единицы местности, обычно измеряемый в виде угла в градусах или процентах.
• Экспозиция может быть определена как направление, в котором обращена единица местности. Экспозиция обычно выражается в градусах от севера.
• Выемка и засыпка — это расчет разницы между поверхностью до и после проекта раскопок для оценки затрат.
• Гидрологическое моделирование может обеспечить пространственный элемент, которого нет в других гидрологических моделях, с анализом таких переменных, как уклон, аспект и водораздел или площадь водосбора . Анализ местности имеет основополагающее значение для гидрологии, поскольку вода всегда стекает по склону. Поскольку базовый анализ местности с помощью цифровой модели рельефа (ЦМР) включает расчет уклона и аспекта, ЦМР очень полезны для гидрологического анализа. Наклон и экспозиция затем могут быть использованы для определения направления поверхностного стока и, следовательно, накопления стока для формирования ручьев, рек и озер. Области расходящихся потоков также могут четко указывать границы водосбора. После создания матрицы направления потока и накопления можно выполнять запросы, которые показывают области вклада или рассеивания в определенной точке. В модель можно добавить более подробную информацию, такую ​​как неровность местности, типы растительности и типы почвы, которые могут влиять на скорость инфильтрации и испарения и, следовательно, на поверхностный сток. Одним из основных применений гидрологического моделирования являются исследования загрязнения окружающей среды . Другие применения гидрологического моделирования включают картографирование подземных и поверхностных вод , а также карты рисков наводнений.
• Анализ видимости предсказывает влияние местности на видимость между локациями, что особенно важно для беспроводной связи.
• Заштрихованный рельеф — это изображение поверхности, как если бы это была трехмерная модель, освещенная с заданного направления, что очень часто используется на картах.

Большинство из них создаются с использованием алгоритмов, которые являются дискретным упрощением векторного исчисления . Уклон, экспозиция и кривизна поверхности при анализе ландшафта получаются в результате операций соседства с использованием значений высоты соседних соседей ячейки. На каждый из них сильно влияет уровень детализации данных о местности, например разрешение ЦМР, которое следует выбирать тщательно.

Анализ близости

Основная статья: Анализ близости

Расстояние является ключевой частью решения многих географических задач, обычно из-за трения расстояния . Таким образом, широкий спектр инструментов анализа может анализировать расстояние в той или иной форме, например , буферы , полигоны Вороного или Тиссена , анализ стоимостного расстояния и сетевой анализ .

Анализ данных

Трудно связать водно-болотных угодий карты с количеством осадков , зарегистрированным в различных точках, таких как аэропорты, телевизионные станции и школы. Однако ГИС можно использовать для изображения двух- и трехмерных характеристик поверхности, недр и атмосферы Земли из информационных точек. Например, ГИС может быстро создать карту с изоплетами или контурными линиями , показывающими различное количество осадков. Такую карту можно рассматривать как контурную карту осадков. Многие сложные методы позволяют оценить характеристики поверхностей по ограниченному числу точечных измерений. Двумерная контурная карта, созданная на основе моделирования поверхности с измерениями точек осадков, может быть наложена и проанализирована с любой другой картой в ГИС, охватывающей ту же область. Эта карта, полученная из ГИС, может затем предоставить дополнительную информацию, например, о жизнеспособности гидроэнергетического потенциала в качестве возобновляемого источника энергии . Аналогичным образом, ГИС можно использовать для сравнения других ресурсов возобновляемой энергии , чтобы найти лучший географический потенциал для региона.

Кроме того, из серии трехмерных точек или цифровой модели рельефа можно создать изоплеты, представляющие изолинии высот, а также анализ уклонов, заштрихованный рельеф и другие продукты высот. Водоразделы можно легко определить для любого заданного участка, рассчитав все территории, прилегающие и расположенные вверх по склону от любой заданной точки интереса. Аналогичным образом, ожидаемый тальвег того, куда поверхностные воды будут перемещаться в прерывистых и постоянных потоках, можно рассчитать на основе данных о высоте в ГИС.

Топологическое моделирование

ГИС может распознавать и анализировать пространственные отношения, существующие в пространственных данных, хранящихся в цифровом формате. Эти топологические отношения позволяют выполнять сложное пространственное моделирование и анализ. Топологические отношения между геометрическими объектами традиционно включают смежность (что с чем примыкает), вложение (что что включает в себя) и близость (насколько близко что-то к чему-то другому).

Геометрические сети

Основная статья: Анализ транспортной сети

Геометрические сети — это линейные сети объектов, которые можно использовать для представления взаимосвязанных объектов и выполнения над ними специального пространственного анализа. Геометрическая сеть состоит из ребер, соединенных в точках соединения, подобно графам в математике и информатике. Как и в случае с графами, ребрам сетей можно присвоить вес и поток, что можно использовать для более точного представления различных взаимосвязанных функций. Геометрические сети часто используются для моделирования дорожных сетей и сетей коммунального хозяйства , таких как электрические, газовые и водопроводные сети. Сетевое моделирование также широко используется в транспортном планировании , гидрологическом моделировании и моделировании инфраструктуры .

Картографическое моделирование

Основная статья: Алгебра карт

Пример использования слоев в ГИС-приложении. В этом примере слой лесного покрова (светло-зеленый) образует нижний слой, а над ним находится топографический слой (горизонтальные линии). Далее идет слой стоячей воды (пруд, озеро), затем слой текущей воды (ручей, река), затем пограничный слой и, наконец, слой дороги сверху. Порядок очень важен для правильного отображения конечного результата. Обратите внимание, что пруды расположены под ручьями, так что над одним из прудов можно увидеть линию потока.

Дана Томлин ввел термин «картографическое моделирование» в своей докторской диссертации (1983 г.); Позже он использовал это слово в названии своей книги «Географические информационные системы и картографическое моделирование» (1990). Картографическое моделирование — это процесс, в котором несколько тематических слоев создаются, обрабатываются и анализируются одной и той же территории. Томлин использовал растровые слои, но метод наложения (см. ниже) можно использовать и в более общем плане. Операции над слоями карты можно объединить в алгоритмы и, в конечном итоге, в модели моделирования или оптимизации.

Наложение карты

Основные статьи: Наложение векторов и алгебра карт

Комбинация нескольких наборов пространственных данных (точек, линий или полигонов ) создает новый набор выходных векторных данных, визуально похожий на объединение нескольких карт одного и того же региона. Эти наложения аналогичны наложениям математических диаграмм Венна . Наложение объединения объединяет географические объекты и таблицы атрибутов обоих входных данных в один новый выходной файл. Наложение пересечения определяет область, в которой оба входных сигнала перекрываются, и сохраняет набор полей атрибутов для каждого из них. Наложение симметричной разности определяет выходную область, которая включает в себя общую площадь обоих входов, за исключением области перекрытия.

Извлечение данных — это процесс ГИС, аналогичный векторному наложению, хотя его можно использовать как для анализа векторных, так и для растровых данных. Вместо объединения свойств и особенностей обоих наборов данных извлечение данных предполагает использование «клипа» или «маски» для извлечения характеристик одного набора данных, которые попадают в пространственный экстент другого набора данных.

При анализе растровых данных наложение наборов данных осуществляется с помощью процесса, известного как «локальная операция с несколькими растрами» или « алгебра карт », с помощью функции, которая объединяет значения матрицы каждого растра . Эта функция может взвешивать некоторые входные данные больше, чем другие, за счет использования «индексной модели», которая отражает влияние различных факторов на географическое явление.

Геостатистика

Основная статья: Геостатистика

Геостатистика — это раздел статистики, который занимается полевыми данными, пространственными данными с непрерывным индексом. Он предоставляет методы моделирования пространственной корреляции и прогнозирования значений в произвольных местах (интерполяция).

Когда явления измеряются, методы наблюдения определяют точность любого последующего анализа. Из-за характера данных (например, характер дорожного движения в городской среде; погодные условия над Тихим океаном ) при измерении всегда теряется постоянная или динамическая степень точности. Эта потеря точности определяется масштабом и распределением сбора данных.

Чтобы определить статистическую значимость анализа, определяется среднее значение, чтобы можно было включить точки (градиенты) за пределами каких-либо непосредственных измерений для определения их прогнозируемого поведения. Это связано с ограничениями применяемых методов статистики и сбора данных, а для прогнозирования поведения частиц, точек и мест, которые невозможно измерить напрямую, требуется интерполяция.

Интерполяция — это процесс создания поверхности, обычно набора растровых данных, посредством ввода данных, собранных в нескольких точках выборки. Существует несколько форм интерполяции, каждая из которых обрабатывает данные по-разному в зависимости от свойств набора данных. При сравнении методов интерполяции в первую очередь следует учитывать, изменятся ли исходные данные (точные или приблизительные). Далее следует вопрос, является ли метод субъективным, человеческой интерпретацией или объективным. Далее, характер переходов между точками: резкие они или постепенные. Наконец, существует вопрос, является ли метод глобальным (он использует весь набор данных для формирования модели) или локальным, когда алгоритм повторяется для небольшого участка местности.

Интерполяция является оправданным измерением благодаря принципу пространственной автокорреляции, который признает, что данные, собранные в любой точке, будут иметь большое сходство или влияние с этими местами в непосредственной близости от нее.

Цифровые модели рельефа , триангулированные нерегулярные сети , алгоритмы поиска ребер, многоугольники Тиссена , анализ Фурье , (взвешенные) скользящие средние , взвешивание обратного расстояния , кригинг , сплайн и анализ поверхности тренда — все это математические методы для получения интерполяционных данных.

Геокодирование адреса

Основная статья: Геокодирование

Геокодирование — это интерполяция пространственных местоположений (координат X, Y) на основе уличных адресов или любых других данных с пространственной привязкой, таких как почтовые индексы , участки участков и местоположения адресов. Справочная тема необходима для геокодирования отдельных адресов, например файл осевой линии дороги с диапазонами адресов. Местоположение отдельных адресов исторически интерполировалось или оценивалось путем изучения диапазонов адресов вдоль сегмента дороги. Обычно они предоставляются в виде таблицы или базы данных. Затем программное обеспечение поставит точку примерно там, где этот адрес принадлежит сегменту осевой линии. Например, адресная точка 500 будет находиться в середине сегмента линии, который начинается с адреса 1 и заканчивается адресом 1000. Геокодирование также можно применять к реальным данным об участках, обычно с карт муниципальных налогов. В этом случае результатом геокодирования будет фактически позиционированное пространство, а не интерполированная точка. Этот подход все чаще используется для предоставления более точной информации о местоположении.

Обратное геокодирование

Основная статья: Обратное геокодирование

Обратное геокодирование — это процесс возврата примерного номера уличного адреса по отношению к заданной координате. Например, пользователь может щелкнуть тему осевой линии дороги (таким образом предоставив координаты) и получить информацию, отражающую предполагаемое количество домов. Этот номер дома интерполируется из диапазона, назначенного этому сегменту дороги. Если пользователь щелкнет в середине сегмента, который начинается с адреса 1 и заканчивается 100, возвращаемое значение будет где-то около 50. Обратите внимание, что обратное геокодирование не возвращает фактические адреса, а только оценки того, что там должно быть, на основе заранее определенного диапазон.

Многокритериальный анализ решений

Основная статья: Анализ решений по множеству критериев

В сочетании с ГИС методы многокритериального анализа решений помогают лицам, принимающим решения, анализировать набор альтернативных пространственных решений, таких как наиболее вероятная экологическая среда обитания для восстановления, по множеству критериев, таких как растительный покров или дороги. MCDA использует правила принятия решений для агрегирования критериев, что позволяет ранжировать или расставлять приоритеты альтернативных решений. ГИС MCDA может сократить затраты и время, затрачиваемые на определение потенциальных участков восстановления.

интеллектуальный анализ данных ГИС

ГИС или пространственный анализ данных — это применение методов интеллектуального анализа данных к пространственным данным. Интеллектуальный анализ данных, который представляет собой частично автоматизированный поиск скрытых закономерностей в больших базах данных, предлагает большие потенциальные преимущества для принятия прикладных решений на основе ГИС. Типичные области применения включают мониторинг окружающей среды . Особенностью таких приложений является то, что пространственная корреляция между измерениями данных требует использования специализированных алгоритмов для более эффективного анализа данных.

Вывод данных и картография

Основные статьи: Картографический дизайн и цифровое картографирование

Картография — это разработка и производство карт или визуального представления пространственных данных. Подавляющее большинство современной картографии выполняется с помощью компьютеров, обычно с использованием ГИС, но создание качественной картографии также достигается за счет импорта слоев в программу проектирования для ее уточнения. Большая часть программного обеспечения ГИС дает пользователю существенный контроль над внешним видом данных.

Картографическая работа выполняет две основные функции:

Во-первых, он создает графику на экране или на бумаге, которая передает результаты анализа людям, принимающим решения о ресурсах. Могут быть созданы настенные карты и другая графика, позволяющая зрителю визуализировать и, таким образом, понимать результаты анализа или моделирования потенциальных событий. Веб-картографические серверы облегчают распространение сгенерированных карт через веб-браузеры с использованием различных реализаций веб-интерфейсов прикладного программирования ( AJAX , Java , Flash и т. д.).

Во-вторых, можно создать другую информацию базы данных для дальнейшего анализа или использования. Примером может служить список всех адресов в пределах одной мили (1,6 км) от места разлива токсичных веществ.

Археохром – это новый способ отображения пространственных данных. Это тематика на 3D-карте, которая применяется к конкретному зданию или части здания. Он подходит для визуального отображения данных о теплопотерях.

Изображение местности

Основная статья: Картография местности

Традиционная топографическая карта, выполненная в 3D.

Традиционные карты представляют собой абстракции реального мира, выборку важных элементов, изображенных на листе бумаги с помощью символов, обозначающих физические объекты. Люди, использующие карты, должны интерпретировать эти символы. На топографических картах форму земной поверхности изображают горизонталями или заштрихованным рельефом .

Сегодня методы графического отображения, такие как затенение на основе высоты в ГИС, могут сделать взаимосвязи между элементами карты видимыми, повышая способность человека извлекать и анализировать информацию. Например, два типа данных были объединены в ГИС для получения перспективного изображения части округа Сан-Матео , Калифорния .

• Цифровая модель рельефа , состоящая из высот поверхности, записанных на 30-метровой горизонтальной сетке, показывает высокие возвышения белым цветом, а низкие - черным.
• Сопровождающее изображение Landsat Thematic Mapper показывает инфракрасное изображение в искусственных цветах, смотрящее вниз на ту же область в 30-метровых пикселях или элементах изображения для тех же точек координат, пиксель за пикселем, что и информация о высоте.

ГИС использовалась для регистрации и объединения двух изображений для визуализации трехмерного перспективного вида разлома Сан-Андреас с использованием пикселей изображения Thematic Mapper, но затененного с учетом высоты форм рельефа . Отображение ГИС зависит от точки наблюдения наблюдателя и времени суток, чтобы правильно отображать тени, создаваемые солнечными лучами на этой широте, долготе и времени суток.

Веб-картография

Основная статья: Веб-картография

В последние годы наблюдается распространение бесплатного и легкодоступного картографического программного обеспечения, такого как проприетарные веб -приложения Google Maps и Bing Maps , а также с открытым исходным кодом бесплатная альтернатива OpenStreetMap . Эти сервисы предоставляют обществу доступ к огромным объемам географических данных, которые многие пользователи считают такими же заслуживающими доверия и пригодными для использования, как и профессиональная информация. Например, во время пандемии COVID-19 веб-карты, размещенные на информационных панелях, использовались для быстрого распространения данных о случаях заболевания среди широкой общественности.

Некоторые из них, например Google Maps и OpenLayers , предоставляют интерфейс прикладного программирования (API), который позволяет пользователям создавать собственные приложения. Эти наборы инструментов обычно предлагают карты улиц, аэрофотоснимки/спутниковые изображения, функции геокодирования, поиска и маршрутизации. Веб-картография также раскрыла потенциал краудсорсинга геоданных в таких проектах, как OpenStreetMap , который представляет собой совместный проект по созданию бесплатной редактируемой карты мира. эти гибридные проекты обеспечивают высокий уровень ценности и пользы для конечных пользователей, выходящий за рамки возможностей традиционной географической информации. Доказано, что

Веб-картография не лишена недостатков. Веб-картография позволяет создавать и распространять карты людьми без соответствующей картографической подготовки. Это привело к тому, что карты игнорируют картографические соглашения и потенциально вводят в заблуждение: одно исследование показало, что более половины информационных панелей правительства штатов США по COVID-19 не соответствуют этим соглашениям.

Приложения

См. Также: Категория: Приложения географических информационных систем.

С момента своего появления в 1960-х годах ГИС использовалась во все более широком спектре приложений, подтверждая широко распространенную важность местоположения и чему способствовало продолжающееся снижение барьеров для внедрения геопространственных технологий. Возможно, сотни различных применений ГИС можно классифицировать несколькими способами:

• Цель : цель приложения можно в общих чертах классифицировать как научное исследование или управление ресурсами . Целью исследования , определяемой как можно более широко, является открытие новых знаний; это может сделать тот, кто считает себя учёным, но также может сделать и любой, кто пытается понять, почему мир устроен именно так. Исследование, столь же практичное, как выяснение причин неудачи бизнес-локации, было бы исследованием в этом смысле. Менеджмент (иногда называемый операционными приложениями), также определяемый как можно более широко, представляет собой применение знаний для принятия практических решений о том, как использовать ресурсы, которые человек контролирует, для достижения своих целей. Этими ресурсами могут быть время, капитал, рабочая сила, оборудование, земля, месторождения полезных ископаемых, дикая природа и так далее.
  • Уровень принятия решения : Управленческие приложения подразделяются на стратегические , тактические и оперативные , что является общепринятой классификацией в управлении бизнесом . Стратегические задачи — это долгосрочные, дальновидные решения о том, какие цели следует поставить, например, следует ли расширять бизнес или нет. Тактические задачи — это среднесрочные решения о том, как достичь стратегических целей, например, создание национального леса и плана управления выпасом. Оперативные решения касаются повседневных задач, например, когда человек находит кратчайший путь к пиццерии.
• Тема : области, в которых применяется ГИС, в основном относятся к тем, которые касаются человеческого мира (например, экономика , политика , транспорт , образование , ландшафтная архитектура , археология , городское планирование , недвижимость , общественное здравоохранение , картирование преступности , национальная оборона ), и те, кто занимается миром природы (например, геологией , биологией , океанографией , климатом ). Тем не менее, одной из мощных возможностей ГИС и пространственной перспективы географии является их интегративная способность сравнивать разрозненные темы, а многие приложения связаны с несколькими областями. Примеры интегрированных областей применения человека и природы включают глубокое картографирование , стихийных бедствий Смягчение , управление дикой природой , устойчивое развитие , природные ресурсы и на изменение климата . реагирование
• Учреждение : ГИС была внедрена в самых разных учреждениях: правительстве (на всех уровнях от муниципального до международного), бизнесе (всех типов и размеров), некоммерческих организациях (даже церквях), а также в личных целях. Последнее становится все более заметным с появлением смартфонов с функцией определения местоположения.
• Продолжительность жизни : Реализации ГИС могут быть ориентированы на проект или предприятие . ГИС проекта ориентирована на выполнение одной задачи: сбор данных, анализ и результаты производятся отдельно от любых других проектов, которые может выполнять человек, а реализация по сути является временной. Корпоративная ГИС задумана как постоянное учреждение, включающее базу данных, тщательно разработанную для использования в различных проектах на протяжении многих лет, и, вероятно, используемую многими людьми на предприятии, причем некоторые из них работают полный рабочий день только для обслуживания. это.
• Интеграция . Традиционно большинство ГИС-приложений были автономными и использовали специализированное программное обеспечение ГИС, специализированное оборудование, специализированные данные и специализированных специалистов. Хотя они остаются обычным явлением и по сей день, количество интегрированных приложений значительно возросло, поскольку геопространственные технологии были объединены с более широкими корпоративными приложениями, совместно используемыми ИТ-инфраструктурой, базами данных и программным обеспечением, часто с использованием корпоративных интеграционных платформ, таких как SAP .

Внедрение ГИС часто обусловлено требованиями юрисдикции (например, города), цели или применения. Как правило, реализация ГИС может быть разработана специально для организации. Следовательно, развертывание ГИС, разработанное для какого-либо приложения, юрисдикции, предприятия или цели, может не обязательно быть совместимым или совместимым с ГИС, разработанной для какого-либо другого приложения, юрисдикции, предприятия или цели.

ГИС также расширяется до сервисов на основе определения местоположения , которые позволяют мобильным устройствам с поддержкой GPS отображать свое местоположение относительно фиксированных объектов (ближайший ресторан, заправочная станция, пожарный гидрант) или мобильных объектов (друзья, дети, полицейская машина) или передают свою позицию обратно на центральный сервер для отображения или другой обработки.

ГИС также используется в цифровом маркетинге и SEO для сегментации аудитории по местоположению.

Темы

Водная наука

Этот раздел представляет собой отрывок из ГИС и водных наук . [ редактировать ]

Веб-сайт ArcGIS Server, изображающий подводную водную растительность

Географические информационные системы (ГИС) стали неотъемлемой частью водных наук и лимнологии . Вода по своей природе динамична. Таким образом, характеристики, связанные с водой, постоянно меняются. Чтобы идти в ногу с этими изменениями, технологические достижения дали ученым методы для улучшения всех аспектов научных исследований: от спутникового отслеживания дикой природы до компьютерного картирования мест обитания. Такие агентства, как Геологическая служба США , Служба рыболовства и дикой природы США , а также другие федеральные агентства и агентства штата используют ГИС для помощи в своих усилиях по сохранению природы.

Археология

Этот раздел представляет собой отрывок из ГИС в археологии . [ редактировать ]

ГИС или географические информационные системы были важным инструментом в археологии с начала 1990-х годов. Действительно, археологи были первопроходцами, пользователями и разработчиками ГИС и ГИС-науки, географической информатики . Сочетание ГИС и археологии считается идеальным сочетанием, поскольку археология часто предполагает изучение пространственного измерения поведения человека с течением времени, а вся археология несет в себе пространственный компонент.

Экологическое управление

Этот раздел представляет собой выдержку из ГИС и экологического управления . [ редактировать ]

США Администратор Федерального агентства по чрезвычайным ситуациям (FEMA) У. Крейг Фьюгейт выступает на семинаре Красного Креста по использованию социальных сетей во время стихийных бедствий. ГИС призваны сыграть важную роль в таких программах.

Географическая информационная система (ГИС) — широко используемый инструмент для управления окружающей средой, моделирования и планирования. По простому определению Майкла Гудчайлда , ГИС — это «компьютерная система для обработки географической информации в цифровой форме». В последние годы он сыграл важную роль в философии участия, сотрудничества и открытых данных . Социальная и технологическая эволюция вывела цифровые и экологические программы на передний план государственной политики, глобальных средств массовой информации и частного сектора.

Загрязнение окружающей среды

Этот раздел представляет собой выдержку из ГИС по загрязнению окружающей среды . [ редактировать ]

ГИС загрязнения окружающей среды — это использование программного обеспечения ГИС для картирования загрязнителей в почве и воде с использованием инструментов пространственной интерполяции из ГИС. Пространственная интерполяция позволяет более эффективно подходить к восстановлению и мониторингу загрязнений почвы и воды. Загрязнение почвы и воды металлами и другими загрязнителями стало серьезной экологической проблемой после индустриализации во многих частях мира. В результате на экологические агентства возлагается ответственность за восстановление, мониторинг и смягчение последствий загрязнения почвы . ГИС используется для мониторинга участков на наличие металлических загрязнителей в почве, и на основе ГИС-анализа выявляются участки с самым высоким риском, на которых осуществляется большая часть работ по восстановлению и мониторингу.

Геологическое картирование

Этот раздел представляет собой отрывок из цифрового геологического картографирования . [ редактировать ]

Снимок экрана: структурная карта, созданная с помощью программного обеспечения для геологического картирования газового и нефтяного резервуара глубиной 8500 футов на месторождении Эрат, округ Вермилион , Эрат , штат Луизиана . Разрыв слева направо в верхней части контурной карты указывает на линию разлома . Эта линия разлома находится между синими/зелеными контурными линиями и фиолетовыми/красными/желтыми контурными линиями. Тонкая красная круглая контурная линия в центре карты указывает на верхнюю часть нефтяного резервуара. Поскольку газ плавает над нефтью, тонкая красная контурная линия отмечает зону контакта газа и нефти.

Цифровое геологическое картирование — это процесс, посредством которого геологические особенности наблюдаются, анализируются и записываются в полевых условиях и отображаются в режиме реального времени на компьютере или персональном цифровом помощнике (КПК). Основная функция этой новой технологии заключается в создании с пространственной привязкой геологических карт , которые можно использовать и обновлять при проведении полевых работ .

Геопространственный интеллект

Этот раздел представляет собой отрывок из ГИС в области геопространственной разведки . [ редактировать ]

Географические информационные системы (ГИС) играют постоянно развивающуюся роль в геопространственной разведке США (GEOINT) и национальной безопасности . Эти технологии позволяют пользователю эффективно управлять, анализировать и создавать геопространственные данные , комбинировать GEOINT с другими формами сбора разведывательной информации , а также выполнять высокоразвитый анализ и визуальное создание геопространственных данных. Таким образом, ГИС создает современные и более надежные данные GEOINT, чтобы уменьшить неопределенность для лиц, принимающих решения. Поскольку программы ГИС доступны через Интернет, пользователь может постоянно работать с лицом, принимающим решения, для решения проблем, связанных с GEOINT и национальной безопасностью, из любой точки мира. Существует множество типов программного обеспечения ГИС, используемого в GEOINT и национальной безопасности, например Google Earth , ERDAS IMAGINE , GeoNetwork с открытым исходным кодом и Esri ArcGIS .

История

Этот раздел представляет собой отрывок из Историко-географической информационной системы . [ редактировать ]

Историческая географическая информационная система (также называемая исторической ГИС или HGIS) — это географическая информационная система, которая может отображать, хранить и анализировать данные о прошлых географических регионах и отслеживать изменения во времени. Его можно рассматривать как инструмент исторической географии .

Использование цифровых карт, созданных ГИС, также повлияло на развитие академической области, известной как пространственные гуманитарные науки.

Гидрология

Этот раздел представляет собой отрывок из ГИС и гидрологии . [ редактировать ]

Географические информационные системы (ГИС) стали полезным и важным инструментом в области гидрологии Земли для изучения и управления водными ресурсами . Изменение климата и рост спроса на водные ресурсы требуют более грамотного использования, возможно, одного из наших самых жизненно важных ресурсов. Поскольку вода в своем залегании меняется в пространстве и времени на протяжении гидрологического цикла , ее изучение с помощью ГИС особенно практично. В то время как предыдущие ГИС-системы были в основном статичными в своем геопространственном представлении гидрологических объектов, ГИС-платформы становятся все более динамичными, сокращая разрыв между историческими данными и текущей гидрологической реальностью.

Совместная ГИС

Этот раздел представляет собой отрывок из Совместной ГИС . [ редактировать ]

Совместная ГИС (PGIS) или географическая информационная система с участием общественности (PPGIS) представляет собой совместный подход к пространственному планированию пространственной информацией и и управлению коммуникациями .

Общественное здравоохранение

Этот раздел представляет собой отрывок из ГИС и общественного здравоохранения . [ редактировать ]

Географические информационные системы (ГИС) и географическая информатика (GIScience) сочетают в себе возможности компьютерного картографирования с дополнительными инструментами управления базами данных и анализа данных . Коммерческие ГИС-системы очень мощные и затронули многие приложения и отрасли, включая науку об окружающей среде , городское планирование , сельскохозяйственные приложения и другие.

ГИС традиционных знаний

Этот раздел представляет собой выдержку из ГИС традиционных знаний . [ редактировать ]

Географические информационные системы (ГИС) традиционных знаний — это набор систем, использующих данные, методы и технологии, предназначенные для документирования и использования местных знаний в сообществах по всему миру. Традиционные знания – это информация, охватывающая опыт конкретной культуры или общества . ГИС традиционных знаний отличаются от обычных когнитивных карт тем, что они выражают экологические и духовные отношения между реальными и концептуальными объектами. Этот набор инструментов посвящен сохранению культурного наследия, спорам о земельных правах, управлению природными ресурсами и экономическому развитию.

Стандарты Открытого геопространственного консорциума

Основная статья: Открытый геопространственный консорциум

( Открытый геопространственный консорциум OGC) — это международный отраслевой консорциум, в состав которого входят 384 компании, правительственные учреждения, университеты и частные лица, участвующие в процессе достижения консенсуса по разработке общедоступных спецификаций геообработки. Открытые интерфейсы и протоколы, определенные спецификациями OpenGIS, поддерживают совместимые решения, которые «подключают географические данные» к Интернету, беспроводным и геолокационным службам, а также к основным ИТ-технологиям, а также дают разработчикам технологий возможность сделать сложную пространственную информацию и услуги доступными и полезными для всех видов приложений. . Протоколы Open Geospatial Consortium включают Web Map Service и Web Feature Service .

Продукты ГИС разбиты OGC на две категории в зависимости от того, насколько полно и точно программное обеспечение соответствует спецификациям OGC.

Стандарты OGC помогают инструментам ГИС взаимодействовать.

Совместимые продукты — это программные продукты, соответствующие спецификациям OGC OpenGIS. Когда продукт был протестирован и сертифицирован как соответствующий в рамках программы тестирования OGC, он автоматически регистрируется на этом сайте как «соответствующий».

Внедряемые продукты — это программные продукты, которые реализуют спецификации OpenGIS, но еще не прошли проверку на соответствие. Тесты на соответствие доступны не для всех спецификаций. Разработчики могут зарегистрировать свои продукты как реализующие черновые или утвержденные спецификации, однако OGC оставляет за собой право просматривать и проверять каждую запись.

Добавляем измерение времени

См. Также: Историко-географическая информационная система и География времени.

Состояние поверхности, атмосферы и недр Земли можно изучить, загрузив спутниковые данные в ГИС. Технология ГИС дает исследователям возможность изучать изменения земных процессов на протяжении дней, месяцев и лет с помощью картографических визуализаций. Например, можно анимировать изменения в силе растительности в течение вегетационного периода, чтобы определить, когда засуха была наиболее сильной в конкретном регионе. Полученный график представляет приблизительную оценку здоровья растений. Работа с двумя переменными во времени позволит исследователям обнаружить региональные различия в задержке между уменьшением количества осадков и его влиянием на растительность.

Технология ГИС и доступность цифровых данных в региональном и глобальном масштабе позволяют проводить такой анализ. Выходные данные спутникового датчика, используемые для создания графиков растительности, производятся, например, с помощью усовершенствованного радиометра очень высокого разрешения (AVHRR). Эта сенсорная система обнаруживает количество энергии, отраженной от поверхности Земли в различных диапазонах спектра на площади около 1 квадратного километра. Спутниковый датчик создает изображения определенного места на Земле два раза в день. AVHRR и, в последнее время, спектрорадиометр среднего разрешения (MODIS) — лишь две из многих сенсорных систем, используемых для анализа поверхности Земли.

Помимо интеграции времени в исследования окружающей среды, ГИС также изучается на предмет ее способности отслеживать и моделировать прогресс людей в их повседневной жизни. Конкретным примером прогресса в этой области является недавний выпуск данных о численности населения по данным переписи населения США . В этом наборе данных население городов показано в дневное и вечернее время, подчеркивая структуру концентрации и дисперсии, обусловленную моделями поездок на работу в Северной Америке. Манипулирование и генерация данных, необходимых для получения этих данных, были бы невозможны без ГИС.

Использование моделей для проецирования данных, содержащихся в ГИС, вперед во времени позволило планировщикам тестировать политические решения с использованием систем поддержки пространственных решений .

Семантика

Инструменты и технологии, появившиеся в рамках Всемирной паутины, Консорциума Семантической паутины оказались полезными для решения проблем интеграции данных в информационных системах. Соответственно, такие технологии были предложены как средство облегчения взаимодействия и повторного использования данных среди приложений ГИС, а также для создания новых механизмов анализа.

Онтологии являются ключевым компонентом этого семантического подхода, поскольку они позволяют формальную, машиночитаемую спецификацию понятий и отношений в данной области. Это, в свою очередь, позволяет ГИС сосредоточиться на предполагаемом значении данных, а не на их синтаксисе или структуре. Например, предположение о том, что тип земного покрова, классифицированный как лиственные игольчатые деревья в одном наборе данных, является специализацией или подгруппой типа леса земного покрова в другом, более грубо классифицированном наборе данных, может помочь ГИС автоматически объединить два набора данных в рамках более общей классификации земного покрова. Предварительные онтологии были разработаны в областях, связанных с приложениями ГИС, например, онтология гидрологии. разработано Ordnance Survey в Соединенном Королевстве и онтологиями SWEET. разработан НАСА Лабораторией реактивного движения . Кроме того, группа W3C Geo Incubator Group предлагает более простые онтологии и стандарты семантических метаданных. для представления геопространственных данных в сети. GeoSPARQL — это стандарт, разработанный Управлением вооружений, Геологической службой США , Министерством природных ресурсов Канады Австралии , Организацией научных и промышленных исследований Содружества и другими организациями для поддержки создания онтологий и рассуждений с использованием хорошо понятных литералов OGC (GML, WKT), топологических связей (Simple Функции, RCC8, DE-9IM), RDF и протоколы запросов к базе данных SPARQL .

Результаты последних исследований в этой области можно увидеть на Международной конференции по геопространственной семантике. и Terra Cognita – Пути к геопространственной семантической сети семинар на Международной конференции Semantic Web Conference.

Социальные последствия

Основные статьи: Неогеография и ГИС общественного участия

С популяризацией ГИС в процессе принятия решений ученые начали тщательно изучать социальные и политические последствия ГИС. ГИС также можно использовать не по назначению для искажения реальности в личных и политических целях. Утверждалось, что производство, распространение, использование и представление географической информации во многом связаны с социальным контекстом и потенциально могут повысить доверие граждан к правительству. Другие связанные темы включают обсуждение авторских прав , конфиденциальности и цензуры . Более оптимистичный социальный подход к внедрению ГИС состоит в том, чтобы использовать их в качестве инструмента участия общественности.

В образовании

См. также: Конференция пользователей Esri Education.

В конце 20-го века ГИС стали признавать инструментами, которые можно было использовать в классе. Преимущества ГИС в образовании, по-видимому, сосредоточены на развитии пространственного познания , но не хватает библиографии или статистических данных, чтобы показать конкретные масштабы использования ГИС в образовании во всем мире, хотя расширение было быстрее в тех странах, где учебная программа упоминает их.

ГИС, кажется, дают много преимуществ в преподавании географии, поскольку они позволяют проводить анализ на основе реальных географических данных, а также помогают поднимать многие исследовательские вопросы перед учителями и учениками в классах. Они также способствуют улучшению обучения, развивая пространственное и географическое мышление и, во многих случаях, мотивацию учащихся.

Курсы по ГИС также предлагаются образовательными учреждениями.

В местном самоуправлении

ГИС зарекомендовала себя как общеорганизационная, корпоративная и устойчивая технология, которая продолжает менять методы работы местных органов власти. Правительственные учреждения внедрили технологию ГИС в качестве метода лучшего управления следующими областями государственной организации:

• Департаменты экономического развития используют интерактивные картографические инструменты ГИС, агрегированные с другими данными (демография, рабочая сила, бизнес, промышленность, таланты), а также базой данных доступных коммерческих площадок и зданий для привлечения инвестиций и поддержки существующего бизнеса. Компании, принимающие решения о местоположении, могут использовать эти инструменты для выбора сообществ и сайтов, которые лучше всего соответствуют их критериям успеха.
• Общественная безопасность такие операции, как центры экстренных операций, предотвращение пожаров, мобильные технологии и диспетчеризация полиции и шерифа, а также картирование погодных рисков.
• Отделы парков и отдыха и их функции в инвентаризации активов, охране земель, землеустройстве и управлении кладбищами.
• Общественные работы и коммунальные услуги, отслеживание водоснабжения и ливневой канализации, электротехнических активов, инженерных проектов, а также активов и тенденций общественного транспорта.
• Управление оптоволоконной сетью межведомственных сетевых активов
• Аналитические и демографические данные школы, управление активами и планирование улучшения/расширения.
• Государственное управление данными о выборах, учетом собственности и зонированием/управлением

Инициатива «Открытые данные» подталкивает местные органы власти к использованию преимуществ таких технологий, как технология ГИС, поскольку она включает в себя требования, необходимые для соответствия модели прозрачности «Открытые данные/Открытое правительство». С помощью открытых данных местные правительственные организации могут внедрять приложения и онлайн-порталы для взаимодействия с гражданами, позволяя гражданам видеть информацию о земле, сообщать о выбоинах и проблемах с указателями, просматривать и сортировать парки по активам, просматривать в реальном времени уровень преступности, ремонтные работы и многое другое. Стремление к открытым данным в государственных организациях стимулирует рост расходов местных органов власти на ГИС-технологии и управление базами данных.

См. также

• АМ/ФМ/ГИС
• Служба климатической информации
• Сравнение программного обеспечения ГИС
• Концепции и методы в современной географии
• Диалоговая визуальная среда для геоинформации
• Распределенная ГИС
• База геоданных (Esri)
• Геоматика
• ГИСкорпус
• День ГИС
• Интегрированные геосистемы
• Список источников данных ГИС
• Список программного обеспечения ГИС
• Управление картографической базой данных
• Количественная география
• Техническая география
• Первый закон географии Тоблера
• Второй закон географии Тоблера
• Виртуальный глобус

Дальнейшее чтение

• Берри, Дж. К. (1993). За пределами картографии: концепции, алгоритмы и проблемы ГИС . Форт-Коллинз, Колорадо: Книги мира ГИС.
• Болстад, П. (2019). Основы ГИС: первый текст по географическим информационным системам, шестое издание . Анн-Арбор: XanEdu, 764 стр.
• Берроу, Пенсильвания и МакДоннелл, РА (1998). Принципы географических информационных систем . Издательство Оксфордского университета , Оксфорд, 327 стр.
• Чанг, К. (2007). Введение в географическую информационную систему, 4-е издание . Макгроу Хилл, ISBN   978-0071267588
• ДеМерс, М. (2009). Основы географических информационных систем, 4-е издание . Уайли, ISBN   978-0-470-12906-7
• ДеМерс, М. (2002). ГИС-моделирование в растре . Уайли, ISBN   978-0-471-31965-8
• Фу П. и Дж. Сан (2010). Веб-ГИС: принципы и приложения . ESRI Пресс. Редлендс, Калифорния. ISBN   1-58948-245-X .
• Харви, Фрэнсис (2008). Букварь по ГИС, фундаментальные географические и картографические понятия. Гилфорд Пресс, 31 стр.
• Хейвуд И., Корнелиус С. и Карвер С. (2006). Введение в географические информационные системы . Прентис Холл. 3-е издание.
• Лонгли, Пенсильвания , Гудчайлд, М.Ф. , Магуайр, DJ и Ринд, Д.В. (2005). Географические информационные системы и наука . Чичестер: Уайли. 2-е издание.
• Магуайр, ди-джей, Гудчайлд М.Ф., Ринд Д.В. (1997). «Географические информационные системы: принципы и приложения» Научно-технический Лонгман, Харлоу.
• Монмонье, М. (2018). Как лгать с картами . Издательство Чикагского университета, ISBN   978-0-226-43592-3
• Отт Т. и Свячны Ф. (2001). Интегрирующая по времени ГИС. Управление и анализ пространственно-временных данных , Берлин/Гейдельберг/Нью-Йорк: Springer.
• Пиклз, Дж., редактор (1994) Основная истина: социальные последствия географических информационных систем , Нью-Йорк и Лондон: Гилфорд, 248 стр.
• Терстон Дж., Пойкер Т.К. и Дж. Патрик Мур. (2003). Интегрированные геопространственные технологии: Руководство по GPS, ГИС и регистрации данных . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли.
• Роджер Томлинсон (2007). Размышляя о ГИС: планирование географической информационной системы для менеджеров . ESRI, Inc. ISBN  978-1-58948-158-9 .
• Уорбойс, Майкл; Дакэм, Мэтт (2004). ГИС: компьютерный взгляд . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN  978-0415283755 .

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с географическими информационными системами, на Викискладе?