Тикунов В. С. Геоинформатика. Функциональные возможности ГИС

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу

Перейдем теперь к понятию «знание». Определений «знания» также много, как и определений «информации». Так, Л. Бриллюен считает, что информация отлична от знания, «для которого у нас нет количественной меры» [Л. Бриллюен, 1960. — С. 30]. Д.И.Блюменау приводит 10 (!) определений понятия «знание» различных авторов, и сам определяет информацию как знание, включенное непосредственно в коммуникативный процесс [Д.И.Блюменау, 1989. — С. 28]. Последнее предложение необходимо дополнить: включенное субъективно в субъективный процесс, т. е. знания — это интерпретация информации. Однако интерпретация в известном смысле не ограничивается знанием и этот ряд полностью будет, вероятно, выглядеть следующим образом: информация — знание — мысль (гипотеза).
«Знания» в философском их понимании — отражение семантических аспектов окружающей действительности в мозгу человека или даже в технической системе (подробнее — см. 4.1). Отметим также историческую последовательность привлечения данных, информации и знаний в геоинформатике. Так, вначале появились банки данных, позднее оформились географические информационные системы и, наконец, появились системы, основанные на знаниях, — интеллектуальные системы.
Возвращаясь непосредственно к геоинформационным системам, важно подчеркнуть их способность хранить и обрабатывать пространственные, или географические, данные, что и отличает ГИС от иных информационных систем. Распространено мнение, утверждающее тождественность понятий «географические информационные системы» и «пространственные (пространственно-координированные, пространственно распределенные) информационные системы», т.е. слово «географические» в данном контексте имеет смысл не обозначения науки, а характеристики пространственности. При таком подходе нельзя поставить в один ряд с географическими системами геологические, геофизические и другие системы, что также встречается в литературе. Они все являются пространственными, а следовательно, и географическими. Естественно и то, что ГИС объединяет в единую систему пространственную информацию и информацию других типов для решения пространственных задач.
Прежде чем дать развернутое определение ГИС, используя изложенные выше положения, приведем два примера, раскрывающих некоторые возможности этих систем. Они связаны с решением двух типов задач, требующих от информационной системы наличия тех или иных функций. Функциональные возможности ГИС, их «функциональность» и составляют суть ГИС. По ходу изложения мы будем вынуждены ввести около трех десятков незнакомых или не очень знакомых пока терминов. Подробно они будут истолкованы в последующих главах учебника.

Пример 1. Российская семья решила купить дом. Агентство по торговле недвижимостью, в которую она обратилась, располагая всеми данными о Домах, выставленных на продажу, должна выбрать один или несколько вариантов покупки, удовлетворяющих требованиям покупателя: стоимость не более 1,5 млн руб., этажность не выше двух, земельный участок при Доме не менее 20 соток, не далее 3 км от центра города, ближайший торговый центр не далее 5 мин езды на автомобиле, не ближе 100 м от крупных автомагистралей, не в Южном округе города с дурной славой криминальной окраины, желательно в западной его части с малоэтажной застройкой и хорошей экологией.
Запрос к базе данных Агентства позволит без труда выбрать все домовладения по трем первым критериям (к ним семья может добавить наличие бассейна, сауны и камина и т.д.), однако с остальными условиями стандартная система управления базами данных (СУБД) справиться не сможет. Некоторый особый механизм должен обеспечить обработку пространственных запросов, наличие или возможность порождения пространственных атрибутов дома как пространственного объекта. Это означает, что дома и иные объекты должны быть описаны их положением в пространстве (в терминах географических или иных координат, в крайнем случае — в форме их почтового адреса) и взаимными пространственными отношениями, а информационная система продавца должна уметь выполнять, среди всего прочего, пространственный анализ.
Достаточно просто подыскать дом в центре: функция пространственного запроса любой ГИС обеспечит выборку искомых объектов в круглом «окне» в пределах трехкилометровой зоны от официального центра города (почты, центральной площади, специального монумента) или центра тяжести занимаемой им территории (центроида), вычислив координаты геометрического центра фигуры и расстояния. Оценка близости дома к торговым центрам потребует данных о положении этих объектов, дорогах, прилегающих территориях и планировке города вообще, а также алгоритма расчета оптимального (наикратчайшего) пути, который должен быть среди группы функций анализа сетей. Предполагая, что все автомагистрали уже известны, необходимо выделить наиболее шумные и загазованные, построить вдоль них буферные зоны на удалении 100 м от края обочины и отбросить варианты покупки дома внутри этих зон. Наконец, нежелание жить в некотором административном округе означает исключение домов-претендентов внутри области, описанной его границами, что требует знания административного деления города, а предпочтение проживать в западном районе предполагает оконтуривание того, что считается «западом». Для этого покупателю должна быть дана возможность «нарисовать» свой «запад» на видеоэкранной, или, как ее еще называют, электронной, карте города. Впрочем, продавцы недвижимости могут сами продемонстрировать наиболее экологически безопасные и комфортные зоны, обратившись к схеме оценки состояния окружающей среды, заимствованной в местной экологической службе путем преобразования, т.е. конвертирования форматов данных: экспорта из формата ее системы и импорта в свою.
Таким образом, Агентству по торговле недвижимостью необходимо располагать базой данных о продаваемых объектах недвижимости со стандартными, непространственными атрибутами и слоями ГИС с цифровыми представлениями пространственных объектов и феноменов реальности (земельных участков, домов, дорог, супермаркетов, административных образований, зон экологической комфортности), называемых информационным обеспечением ГИС, функциями ГИС, поддерживаемыми соответствующим программным обеспечением: импорт данных из других систем, расчет расстояний (в проекции карты или на поверхности земного эллипсоида), вычисления координат центроида, обработку пространственных запросов, расчет буферных зон относительно линейных, точечных и контурных объектов, оценку принадлежности объекта (точки) полигону (внутренней области), анализ сетей (поиск оптимального пути).
Хранение информации и ее обработка предполагают наличие высокопроизводительного компьютера (персонального, или рабочей станции), который вместе с другими техническими устройствами, необходимыми для реализации функций системы, образует аппаратное обеспечение ГИС.
Итогом работы будет адрес искомого строения или список адресов домов-претендентов на покупку (иначе говоря, множество, возможно пустое, пространственных объектов).

Пример 2. Глава администрации некоторого города N, озабоченный идеей развития альтернативной энергетики (нетрадиционных возобновляемых энергоисточников), решил установить на его территории и в ближайшем предместье М крыльчатые ветроэнергоустановки — «ветряки».
Задача выбора мест их установки является типично оптимизационной: максимальная выработка электроэнергии при фиксированных финансовых средствах в условиях архитектурно-строительных, конструктивных и природоохранных ограничений. Ее решение средствами ГИС возможно осуществить в два этапа: 1) исключить из числа потенциальных строительных площадок все, не удовлетворяющие перечисленным ограничениям; 2) внутри допустимой зоны выбрать заданное множество точек, обозначающих места возведения энергоустановок при фиксированной (установленной) их мощности, а также с учетом того, что в условиях холмистого, хорошо расчлененного предгорного ландшафта городской территории мощность, а следовательно, и выработка энергии будут существенно зависеть от мезоклиматических условий, в данном случае ветрового режима, в свою очередь определяемого рельефом.
Как и в первом примере, проектировщикам понадобятся разнообразные пространственные данные о городской территории. Работу разумно начать с создания цифровой карты города, вернее его крупномасштабного цифрового плана. Для этого необходимо выполнить цифрование набора листов «бумажных» топографических планов (топопланов), например с помощью дигитайзера (цифрователя). Еще разумнее такую карту-основу (топооснову) приобрести уже готовой у организации, которая не только уже однажды оцифровала исходный источник, но и ведет его текущее обновление — топографический мониторинг, что обеспечивает ее актуальность. Скорее всего, набор элементов содержания топографического источника будет избыточен, и в цифровом варианте он будет разгружен, а часть необходимых объектов придется дооцифровывать по другим материалам. Так или иначе, в итоге у разработчиков должен быть в наличии набор слоев ГИС, необходимых для решения задачи.
Первый его этап, как отмечалось выше, это исключение территорий, где сооружение ветроэнергоустановок по тем или иным причинам невозможно по архитектурным или строительным соображениям (на крышах домов, автомагистралях, водоемах, территориях парков, стадионов и т. п.). Процедура исключения может быть представлена как последовательное вычитание из слоя «внутренняя область в пределах границы города» слоев объектов, представляющих земельные участки с запретом на их строительство. В итоге будет получен новый слой с допустимыми и недопустимыми для строительства зонами (контурами, областями, полигонами).
Слой допустимых для установки зон значительно «сожмется», когда придется учесть необходимость сооружения массивных фундаментов опор, которые должны находиться вне трасс и зон отчуждения подземных инженерных коммуникаций: дождевых и канализационных стоков, водопровода, теплоснабжения, телефонных, оптоволоконных и силовых кабелей, трубопроводов, перенос которых мог бы привести к значительному повышению стоимости строительства. Для этого потребуемся цифровой план подземных инженерных коммуникаций, построение буферных зон относительно каждой коммуникации (см. пример 1), логическое вычитание набора соответствующих слоев из общего слоя допустимых для строительства зон.
Исходный цифровой топографический план лишен большинства элементов, представляющих подземные и надземные инженерные коммуникации, за планами их размещения придется обратиться в соответствующие муниципальные службы.
Зона потенциально допустимых мест дислокации установок еще более уменьшится, когда на следующем этапе предпроектных разработок проектировщики будут вынуждены учесть экологические требования к их размещению, а именно к шумовому загрязнению среды, в особенности низкочастотному. Используя федеральные санитарные и строительные нормы и правила, необходимо выбрать все объекты, по отношению к которым они могут быть применены: жилые дома, здания школ, офисов и других сооружений, построить относительно выбранного множества объектов буферные зоны, соответствующие ширине санитарно-защитных зон, и еще раз исключить полученные таким образом территории из числа потенциально пригодных для строительства.
Последовательное вычитание потенциально непригодных для строительства площадок осуществляется с помощью операции, которая носит название оверлея (наложения) слоев.
Для выбора в пределах итогового слоя конкретных М площадок на втором этапе решения задачи необходимо создать и реализовать имитационную климатическую модель ветрового режима в пределах городской территории с хорошо расчлененным, как было предположено ранее, рельефом. Скорее всего, такая модель уже существует и применяется в решении аналогичных задач, например, для оценки распространения загрязнений атмосферы от точечных источников выбросов. Программное обеспечение ГИС должно допускать возможность встраивания в нее таких моделей, используя языки программирования высокого уровня или собственные средства макропрограммирования. Для решения задачи понадобятся данные о рельефе территории, а именно цифровая модель рельефа (ЦМР). Она может быть получена из слоя горизонталей исходной цифровой топоосновы. Последовательный перебор всех точек в пределах слоя допустимых для строительства ветроэнергоустановок с оценкой их возможной производительности в рамках некоторой оптимизационной модели позволит получить искомый набор площадок. Привлеченные на последнем этапе решения задачи модели являются моделями с распределенными параметрами, а сама процедура их реализации в рамках ГИС носит название геомоделирования, или пространственного моделирования.

Итогом решения задачи, как и в первом примере, будет список, включающий координаты множества проектируемых ветроэнергоустановок, вполне достаточный для подрядной строительной организации, которая выиграет тендер на реализацию проекта. Карта их размещения, построенная с привлечением функций картографической визуализации данных в ГИС, тоже, возможно, пригодится, но уже для других целей — проиллюстрировать на телевидении заботу администрации о горожанах накануне очередных выборов, не преминув при этом отметить смекалистость горожан, ставивших несколько веков назад ветряные мельницы точно в тех местах, которые были определены с помощью ГИС.
Два приведенных примера иллюстрируют возможности ГИС как инструмента для решения пространственных задач. Множество задач, решаемых современными ГИС, — научных, прикладных, образовательных, наконец, бытовых, — не поддается исчислению, складываясь из необозримого числа достойных внимания и описания объектов реальности, помноженных на разнообразие мотивов и целей человеческой деятельности.

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу