Геоинформатика: наука, технология, индустрия


Русский термин «геоинформатика» производен от термина «информатика» — иностранного заимствования, обозначающего научное направление, которое изучает теорию, методы и способы накопления, обработки и передачи данных, информации и знаний с помощью ЭВМ и других технических средств, или группу дисциплин, занимающихся различными аспектами применения и разработки вычислительных машин, куда обычно относят прикладную математику, программирование, программное обеспечение, искусственный интеллект, архитектуры ЭВМ и вычислительные сети. Специфические аспекты информатизации различных областей научной и производственной деятельности породили ряд частных «информатик». К примеру, по тому же типу образован термин «экоинформатика» для обозначения дисциплины, связанной с обработкой данных, информации и знаний об окружающей среде; аналогично этому информационные аспекты геоэкологии изучаются «геоэкоинформатикой».
Некоторое время наряду с термином «геоинформатика» использовался термин «географическая информатика». Не исключено, что этимологически термин «геоинформатика» образовался под влиянием двух параллельных процессов: редукции «географической информатики» до краткой формы «геоинформатика» и прямой деривации от родового понятия «информатика», что корреспондировало с краткой формой термина «географические информационные системы», а именно «геоинформационные системы», о чем упоминалось ранее.
В геоинформатике принято различать три разные «ипостаси». Это наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных технологий, по приложению ГИС для практических или научных целей [Геоинформатика..., 1999].
Предмет геоинформатики как науки обычно определяют как «природные, общественные и природно-общественные земные пространственные системы», ее метод — «компьютерное моделирование и тесно сопряженное с ним геоинформационное картографирование» [А.М.Берлянт, 1996]. Заменив в сочетании «компьютерное моделирование» слово «компьютерное» на «цифровое»,' получим более точное определение метода, основанное на цифровых моделях (представлениях, описаниях) пространственных объектов.
За недолгий период своего существования геоинформатика не успела приобрести необходимую любой науке атрибутику и структурную завершенность. Можно отметить недостроенность «вертикали» научного знания, включая теорию, методологию и методику: при несомненной разработанности методического аппарата, на котором строятся геоинформационные технологии, методологии, основу которой составляют модели пространственных данных и методики проектирования и создания ГИС, теория ГИС пока остается фрагментарной.
В основе теории геоинформатики как учения о ГИС лежит несколько базовых понятий. К ним относятся пространственные объекты, пространственные данные, модели пространственных данных, функции их обработки, включая базовые функции пространственного анализа и геомоделирования как ядра ГИС. Некоторое представление о них дано в подразд. 1.1, а более подробно речь пойдет ниже при обсуждении моделей пространственных данных и функциональных возможностей ГИС.
Структурно в геоинформатике предлагается выделять общую геоинформатику, разделяя ее на теоретическую геоинформатику и прикладную геоинформатику. «Горизонталь» в структуре геоинформатики соответствует ее делению по предметным областям информационного моделирования и специализации создаваемых ГИС; говорят об экогеоинформатике, методологии создания и использования геоинформационных систем экологической, природоохранной, радиоэкологической, земельно-кадастровой и другой специализации.
Технологически, исторически и «генетически» геоинформатика формировалась и продолжает развиваться в окружении смежных наук и технологий, предметно и методически родственных ей. Среди ее ближайших партнеров выделяют дистанционное зондирование и картографию. Алгоритмы и методы геоинформатики близки вычислительной геометрии и компьютерной (машинной) графике, системам автоматизированного проектирования (САПР). Непозиционная (атрибутивная) часть пространственных данных традиционно хранилась и управлялась средствами систем управления базами данных (СУБД), методология создания баз данных ГИС продолжает оставаться в числе важных задач при их проектировании. Единая цифровая среда существования объединяет ГИС с глобальными системами позиционирования и автоматизированными (цифровыми) технологиями съемок местности (например, с использованием электронных тахеометров или лазерных сканирующих устройств) и системами их обработки (например, методами цифровой фотограмметрии). Наконец, аппаратная среда реализации геоинформационных технологий — так называемая вычислительная техника, а именно компьютеры с периферийными устройствами ввода, хранения и вывода данных — вовлекает в орбиту интересов и условий существования геоинформатики новейшие информационные, в том числе телекоммуникационные, технологии, изучаемые общей информатикой.
По тесноте связи, уровню взаимодействия, методической и технологической близости и возможностям интеграции ближайшее окружение геоинформатики образует картография и дистанционное (аэрокосмическое) зондирование. Характер связи трех наук и технологий [А. М. Берлянт, 2001] можно представить в виде четырех моделей, не только теоретически возможных, но и реально предлагавшихся в разные «эпохи» их совместного параллельного развития и осознания ими своей роли и места в условиях экспансии новых информационных технологий (рис. 3).
Последняя из моделей может рассматриваться как каноническая, и дискуссии прошлых лет об истинном характере взаимодействия триады равноправных, самодостаточных и открытых к интеграции наук и технологий следует считать закрытыми.
Добавим однако, что при анализе их взаимоотношений обычно опираются на несомненные черты их близости, сходства и, в некотором смысле, подобия как предпосылок к взаимодействию и интеграции. В особенности это касается отношений геоинформатики и картографии, карт и ГИС. Нельзя не заметить, что тесное взаимодействие и интеграция наук и технологий сопровождается углублением их основ, расширением и обновлением инструментария и прикладных возможностей, структурными перестроениями,

что способствует их самоидентифика- s' yS                            ч
ции и более точному позиционирова- Г ДЗ Q гис Q к J
нию в системе наук на фоне сложно- 4                                          ^
го переплетения и взаимопроникно-              а
вения новых информационных технологий.
С этой точки зрения следует иметь в виду, что появление геоинформационных систем ознаменовало собой пока еще недостаточно осмысленный и оцененный переворот в инструментарии моделирования географического пространства вообще, реализовав принципиально новый способ его описания и представления в форме цифровых моделей и нарушив дотоле существовавшую здесь монополию карт и других геоизображений как единственного средства моделирования пространства и, что еще более важно, решения пространственных задач, позволив заменить графические (образно-знаковые) модели объектов земной поверхности цифровыми, а в ряде приложений вытеснить традиционные картографические модели из тех областей, где их использование невозможно или нецелесообразно. Развитие цифровой картографии ничего не меняет по существу: оставаясь в сфере забот и интересов картографии, цифровые карты картами не являются: как и любые цифровые пространственные данные (в том числе данные ГИС) они не могут восприниматься человеком визуально, тактильно или с помощью иных чувств.
Другое дело, что при всей своей самостоятельности и коренных различиях картография и геоинформатика «обречены» на прочное и долгое взаимодействие. В этом взаимодействии традиционно выделяют две стороны: карты и другие картографические изображения принадлежат к числу основных источников массовых исходных данных для ГИС и являются наиболее эффективной (или, по крайней мере, наиболее распространенной) формой представления результатов ее функционирования с использованием методов картографической визуализации данных в форме компьютерных и электронных (видеоэкранных) карт.

Тем не менее характер их взаимодействия, сложившийся к настоящему моменту, не вечен и сохранится до тех пор, пока: исключительно все массовые источники данных для ГИС не станут цифровыми (имея в виду наиболее массовый из них — карты); не будет найден прямой интерфейс человеческого мозга и памяти компьютера (до той поры карте придется выполнять роль незаменимого интерфейса между человеком и машиной); не будут найдены и реализованы алгоритмы решения всех пространственных задач исключительно в цифровой среде, минуя необходимость привлечения для этого карт; единая, единственная и достаточная цифровая среда не обеспечит весь процесс принятия решений от получения исходных данных до исполнения пространственных решений и контроля за ними.
Важнейшая черта взаимодействия геоинформатики с ее окружением — интеграция. Одно из ее следствий — возникновение и развитие пограничных дисциплин. Интеграционные процессы затрагивают не только отношения классической триады «дистанционное зондирование — геоинформатика — картография» или их попарных отношений. Современная практика дает немало примеров интегрированных решений, основанных на существовании единой технологической цифровой среды.
Ранее вполне независимая отрасль управления сетями инженерных коммуникаций (так примерно можно передать на русском языке труднопереводимый английский термин AM/FM — Automated Mapping / Facility Management) в 90-х годах XX в. ассоциировалась с ГИС-технологиями, и аббревиатура AM/FM/GIS не сходит со страниц изданий, посвященных их тотальному внедрению в управление национальными и региональными сетями водо-, энерго-, газоснабжения, телефонной связи.
Интерактивная картографическая графика в Интернет, появление и развитие «Интернет-ГИС» могут служить примерами интеграции информационных и телекоммуникационных средств.
Интеграция ГИС и иных информационных геотехнологий — характерная черта и условие дальнейшего развития геоинформатики. Функциональность геоинформационных технологий, о которой будет сказано чуть ниже, приобрела полноту и логическую завершенность (инвариантность), и внутренние возможности их функционального развития в части базовых функций, во всяком случае на сегодняшний день, представляются почти исчерпанными.
Геоинформатика в настоящее время рассматривается как интегратор многих наук и технологий, оперирующих пространственно-координированными данными. На эту роль претендует еще одна дисциплина — геоматика (англ, geomatics от GEO+InforMATJCS, франко-канадский оригинал — geomatique).
Под геоматикой обычно понимают область деятельности, связанную с использованием системного подхода к выбору средств сбора, интеграции, обработки и распространения пространственных данных в континууме потоков цифровой информации. Иногда геоматика рассматривается как синоним геоинформатики; по другой, более распространенной точке зрения, геоинформатика входит составной частью в геоматику.
При разграничении двух понятий следует иметь в виду три особенности геоматики в приведенном выше толковании: геоматика оперирует пространственными данными в самом широком смысле этого слова; в предмет ее забот входит сбор данных, который, по одной из точек зрения, лежит за пределами геоинформационных технологий;
. геоматика является средой технологической интеграции всех дисциплин, связанных с пространственными данными, которые недавно начали обозначать термином «геотехнологии».
На наш взгляд, за геоматикой разумно закрепить смысл технологии, интегрирующей частные (гео)технологии получения и обработки пространственных данных, включая геоинформатику как инструмент такой интеграции.
Особенности практического взаимодействия геоинформатики, геоинформационных технологий и ГИС со «смежниками» будут рассмотрены в гл. 3.
Одновременно геоинформатика — технология, отличная от иных информационных технологий, технологическая основа создания и эксплуатации ГИС. В самом общем виде суть геоинформационных технологий составляют ввод, обработка и вывод пространственных данных. В более развернутом виде они определены выше, при рассмотрении основных функций ГИС (см. рис. 2). В технологическую схему ГИС не всегда включается сбор первичных (измерительных) данных, поскольку получение, или сбор данных, — дело смежных индустрий и технологий (например, дистанционного зондирования), однако в определения ГИС до настоящего времени он чаще всего входит (см. 1.1).
Общая технологическая схема ввода, обработки и вывода данных в ГИС, поддерживаемая соответствующими программными средствами, может быть представлена в виде набора обобщенных функций (функциональных групп), среди которых принято выделять следующие:
1. Ввод и редактирование данных. Сюда входит аналого-цифровое преобразование данных, в том числе методы и технологии цифрования картографических источников с помощью цифрователей (дигитайзеров) с ручным обводом или путем сканирования аналоговых оригиналов с последующей векторизацией, а также импорт готовых цифровых данных, контроль ошибок цифрования, топологической и геометрической корректности и общая оценка качества получаемой цифровой модели. Поддержка моделей пространственных данных. Полученная цифровая модель может существовать, храниться и обрабатываться в рамках определенных моделей (представлений); к ним относят растровую, векторную, квадротомическую и иные двух- и трехмерные модели данных, которым соответствуют некоторые форматы данных. Хранение данных. Проектирование и ведение баз данных (БД) атрибутивной информации ГИС, поддержка функций систем управления базами данных (СУБД), включая ввод, хранение, манипулирование, обработку запросов (в том числе пространственных), поиск, выборку, сортировку, обновление, сохранение целостности, защиту данных и создание базы метаданных в рамках основных моделей организации данных БД: иерархической, сетевой и реляционной, реализация геореляционного и объектно-ориентированного подходов к БД ГИС. Преобразование систем координат и трансформация картографических проекций. Наиболее распространенные задачи — переход от условных декартовых прямоугольных координат источника к географическим координатам, пересчет координат пространственных объектов из одной картографической проекции в другую, эластичные преобразования растровых изображений по сети опорных точек. Сюда же разумно включить все иные операции с пространственными объектами, выполняемые на эллипсоиде или шаре. Растрово-векторные операции. Обслуживают возможности совместного использования двух наиболее употребительных моделей пространственных данных — растровой и векторной, экспорт и импорт в среду других программных продуктов, ввод или вывод данных. Автоматическое или полуавтоматическое преобразование (конвертирование) растрового представления пространственных объектов в векторное (векторизация), векторного — в растровое (растеризация) и графическое совмещение растровых и векторных слоев данных. Измерительные операции и операции аналитической (координатной) геометрии. Вычисление длин отрезков прямых и кривых линий, площадей, периметров, объемов, характеристик форм объектов и т. п., автоматизация обработки данных геодезических измерений. Полигональные операции. Включают определение принадлежности точки полигону, линии полигону, наложение полигонов (топологический оверлей), уничтожение границ и слияние полигонов, индикацию и удаление паразитных полигонов, генерацию полигонов Тиссена (диаграмм Вороного). Пространственно-аналитические операции (операции пространственного анализа). Одна из базовых функциональных групп ГИС, включающая анализ близости (окрестности), расчет и анализ зон видимости/невидимости, анализ сетей (сетевой анализ), расчет и построение буферных зон (буферизация). Пространственное моделирование (геомоделирование). Построение и использование моделей пространственных объектов, их взаимосвязей и динамики процессов (математико-статистический анализ пространственных размещений и временных рядов, межслойный корреляционный анализ взаимосвязей разнотипных объектов и т.п.) средствами встроенных функций пространственного моделирования или путем создания интерфейса с моделями вне среды ГИС. Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей. Создание и обработка цифровых моделей рельефа, расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона, экспозиции и формы склонов), построение трехмерных изображений местности, профилей поперечного сечения, вычисление объемов, генерация линий сети тальвегов и водоразделов и иных особых точек и линий рельефа, интерполяция высот, построение изолиний по множеству значений высот, автоматизация аналитической отмывки рельефа, цифровое ортотрансформирование изображений. Сюда же можно отнести моделирование трехмерных объектов {тел) в рамках моделей данных «истинных» трехмерных ГИС. Вывод данных. Генерация отчетов, документирование результатов в текстовой, графической (в том числе картографической), табличной формах с использованием различных графических периферийных устройств (принтеров, графопостроителей и т.п.), экспорт данных.
Существо операций приведенной технологической схемы, алгоритмы, лежащие в их основе, способы и особенности их программной реализации будут подробно рассмотрены в гл. 2 «Функциональные возможности ГИС».
Выделенные базовые функциональные группы не исчерпывают всего разнообразия операций, образующих технологическую основу ГИС. Конкретные универсальные и тем более специализированные программные средства ГИС могут содержать и поддерживать многие другие операции, в том числе выходящие далеко за пределы чисто геоинформационного функционалитета. К примеру, известны растровые ГИС, позволяющие выполнять операции «алгебры карт» (map algebra), сходные с матричными операциями, и даже достаточно развитые функции цифровой обработки данных дистанционного зондирования. С учетом активных интеграционных процессов базовый набор функций может быть значительно расширен; к таким функциональным расширениям можно отнести аппарат экспертных систем и баз знаний, нейросети, интеллектуальный (содержательный) анализ данных (data mining), методы искусственного интеллекта в целом, методы виртуальной реальности.
Для обозначения геоинформатики как производственной деятельности используют термин геоинформационная индустрия (ГИС- индустрия). Ядро отрасли составляют разработка, продажа и сопровождение программных средств ГИС и выполнение геоинформационных проектов (ГИС-проектов) на их основе. Сюда же относят разнообразный сервис, или геоинформационные услуги по внедрению (приложениям) геоинформационных технологий в целом или отдельных ее операций и этапов. Они включают цифрование и векторизацию бумажных картографических источников, конвертирование данных из одного формата в другой, системную интеграцию с иными информационными системами и технологиями (дистанционного зондирования, глобального позиционирования и т.п.).
К отдельной подотрасли условно можно отнести геоинформационное образование (ГИС-образование), профессиональную подготовку специалистов в области геоинформатики и ГИС. В проблематику ГИС-образования входят образовательные стандарты, программы геоинформационных курсов для средних специальных учебных заведений и вузов, внедрение начал геоинформатики в школьное обучение, создание учебных (обучающих) ГИС.
С развитием и диверсификацией ГИС-индустрии как отрасли намечается четкая специализация в профессиональной сфере и в обучении ГИС-специальностям; формируются профессии «ГИС- аналитик», «ГИС-менеджер», «ГИС-специалист», «ГИС-техник», «ГИС-программист».
Геоинформационная индустрия порождает рынок, связанный с производством и потреблением (использованием) геоинформационных продуктов и услуг. К геоинформационному рынку (ГИС- рынку) относят геоинформационные технологии, программные продукты ГИС, пространственные данные, персонал, занятый выполнением геоинформационных проектов, компьютерную технику и специализированное оборудование, включая периферийные устройства, геодезические приборы, съемочную и иную аппаратуру. Глобальный геоинформационный рынок естественным образом распадается на национальные сегменты, или на национальные рынки, которые в свою очередь образованы региональными и местными сегментами, следуя территориальному принципу его организации. Более или менее сформировавшийся геоинформационный рынок разделяется на сегменты, соответствующие крупным группам потребителей продуктов и услуг (например, отраслям хозяйства или науки), предметным областям и технологиям.
Контрольные вопросы Что составляет предмет и метод геоинформатики? Какие научные дисциплины и технологии образуют окружение геои нформати ки? В чем заключается отличие геоинформатики от геоматики? Какие основные функциональные группы выделяются в технологической схеме обработки данных в ГИС? Какие функции составляют ядро геоинформационных технологий и почему? Почему геоинформационные технологии могут служить средой интеграции всех иных технологий, связанных с обработкой пространственно-координированных данных? Какие интеграционные процессы сопровождают современное развитие геоинформатики? Что входит в понятие геоинформационной индустрии? Какие сегменты образуют геоинформационный рынок? Какие тенденции характерны для современного мирового геоинформационного рынка? 
<< | >>
Источник: Е. Г. Капралов,  А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов. Геоинформатика: Учеб, для студ. вузов. 2005

Еще по теме Геоинформатика: наука, технология, индустрия:

  1. Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В ГЕОИНФОРМАТИКУ
  2. Глава 4 ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ И ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯРЕШЕНИЙ В ГЕОИНФОРМАТИКЕ
  3. Периодизация развития геоинформатики
  4. Е. Г. Капралов,  А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов. Геоинформатика: Учеб, для студ. вузов, 2005
  5. ЕСТЕСТВЕННАЯ НАУКА, СОЦИАЛЬНАЯ НАУКА И ЦЕННОСТНОЕ СООТВЕТСТВИЕ
  6. 6.4. Развитие информационных технологий в парламентах государств Европы Конференция "Информационные технологии в парламентах"
  7. 3. НАУКА ОККАМИСТОВ 3.1. Оккамисты и аристотелевская наука
  8. ТЕХНОЛОГИЯ ЮРОДСТВА
  9. Селевко Г.К.. Современные образовательные технологии, 1998
  10. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
  11. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ШТРИХОВ И ЗНАКОВ
  12. Экологизированные (ресурсосберегающие) технологии