А.В. Тевелев 

Предисловие к курсу 

Введение

Основным местом их рождения принято считать Канаду, правительственный департамент окружающей среды, у которого в начале 60 годов проявилась настоятельная необходимость инвентаризации огромного количества картографических и текстовых материалов самого различного назначения (географического, геологического, биологического, ресурсного и пр.). С американской аккуратностью материалы были подшиты в бесконечное количество папок и размещены в зависимости от отраслевой принадлежности в разные хранилища по разным классификационным признакам, так что выяснение, например, вопроса о качестве воды и плотности популяции зайцев в районе проектируемого карьера прогнозируемого месторождения платины оказывалось весьма сложным делом. Сотрудники департамента тонули в бесконечных кипах разносортной бумаги, управление перспективными исследовательскими проектами оказалось затрудненным. По аналогии с другими, более продвинутыми ведомствами, которые испытывали такие же проблемы, было решено перевести десятки тысяч единиц хранения картографической информации на компьютерные носители, разумно организовать базы данных и создать управляющее всем этим хозяйством программное обеспечение. Взятое вместе, все это и должно было образовать ГеоИнформационную Систему, в которой удобным образом можно было бы производить поиск, анализ и сопоставление данных о картируемых объектах (т.е. объектах, имеющих определенные географические координаты и отличительные свойства), независимо от их природы.

Сейчас, когда компьютер стоит на столе у каждого, кто не испытывает особенно сильного отвращения от вида монитора, такая задача кажется рутинной. В те времена, однако, в самой постановке вопроса было много романтики, поскольку ни разработанной научной идеологии, ни программных средств, ни технических возможностей для построения колоссальных графических баз данных еще не существовало. К счастью, как раз в это время в разных странах были разработаны первые системы автоматического проектирования (САПР), методы геоиндикационного анализа (проходившие по статье "применение электронно-вычислительной техники для прогноза полезных ископаемых") и мощные средства создания и управления базами данных. Как это часто бывает в науке, все сошлось во времени, и Гео-Информационные Системы начали свое развитие. 

Первоначально ГИС рассматривались как системы поиска и выдачи на экран монитора карт определенной территории, а также их легенд, объяснительных текстов, табличных данных, графиков, диаграмм и пр. Поисковыми признаками служили либо географические координаты объектов, либо некоторые ключевые слова, либо то и другое вместе. Такого рода "справочные" системы существуют и в настоящее время. Это могут быть и старые поисковые программы на ЭВМ типа ЕС, и базы графических данных для персональных компьютеров, и сверхсовременные хранилища цифровых изображений земной поверхности объемом в десятки терабайт, созданные в ходе нескольких глобальных проектов. В этих системах готовые данные, организованные тем или иным образом в большие массивы, являются конечными единицами информации. Их сопоставление, анализ, редакция, преобразование в качественно иные формы, т.е. все то, что принято обозначать термином "эвристика", является делом пользователя, и к самой информационной системе отношения не имеет. 

Однако наряду с таким подходом существовал и другой, предполагающий, что ГИС должна быть скорее исследовательской или проектной средой, нежели просто справочным инструментом. Этот подход нисколько не противоречит первому, просто он представляет совершенно другую линию развития геоинформационных систем - линию создателей карт, а не их хранителей. В отличие от пользователя, который рассматривает карту как плоское отражение реальной среды, как своего рода "снимок природы, нарисованный руками", для создателя - карта это скорее изменяемая модель его представлений, некий детский конструктор "сделай сам", в котором каждый элемент соответствует не абстрактной действительности, а вполне определенному набору данных, которые могут в процессе картирования и меняться. Карта в этом случае уже не лист бумаги с изображением и не "единица хранения", а исследовательский, или даже мониторинговый проект, выполнение которого иногда затягивается на многие годы. Упрощенная структурная схема этого проекта выглядит следующим образом: 

1. В основе карты находится сцена - то, что подлежит картированию. В случае географических, геологических, экологических карт это поверхность Земли, но вообще-то это любые пространственные структуры, состоящие из различающихся частей, которые могут быть описаны некоторыми признаками. Замечательно то, что эти структуры совершенно необязательно должны быть материальными; картировать можно все, что можно оценить (измерить), сопоставить с какими-либо координатами и представить в виде изображений. 
2. Сцена описывается значениями признаков - свойств пространственных структур. Их измерение, количественная, качественная или какая-либо другая оценка, и является способом картирования. 
3. Классифицированные и определенным образом организованные значения признаков образуют легенду карты - некий жесткий каркас, в который загоняются как правило непрерывно распределенные значения свойств. 
4. Картирование заключается в разбиении сцены на отдельные объекты соответственно принятой легенде и в изображении границ объектов на плоской поверхности в нужном масштабе. 

Отсюда следует, что карта в некотором процедурном смысле является не изображением реальности, а визуализацией наборов данных. На первый взгляд, такое представление может показаться неадекватным. Все, кто держал когда-либо в руках хотя бы топографические карты, полностью осознают, что они являются моделью, отображением физически существующего рельефа, а вот численные значения показанных на картах элементов как раз являются чистой условностью и зависят от выбранных систем координат, единиц измерений и пр. Тем не менее, никакого противоречия здесь нет, если помнить, что образ рельефа местности, который возникает у нас в голове и который мы склонны называть реальностью, на самом деле тоже продукт картирования - бессознательного процесса распознавания образов, в основе которого лежат категоризированные представления об объектах внешнего мира (аналог классов легенды, которая всегда с нами) и исходные гипотезы восприятия (аналог значений классов). Разумеется, это сцеплено с реальностью, но ведь и при картировании мы выясняем свойства реальных объектов. Известно, что в качестве подложки для некоторых карт земной поверхности используют высотные снимки, иногда очень похожие на сами карты. Принципиальное различие между ними состоит в том, что образы объектов на снимках создаются из мозаичных наборов точек фотоизображения непосредственно в мозгу у наблюдателя, и у каждого наблюдателя эти образы индивидуальны, а на картах эти объекты существуют физически и одинаковы для всех. 

 

Технологическая поддержка проектов геокартирования была реализованна в стиле Систем Автоматического Проектирования (САПР). Это был неожиданный и, в тоже время, очень естественный подход, поскольку САПРы также ориентированы на визуализацию данных и их структурных соотношений. Именно этот подход лежит в основе современных исследовательских геоинформационных систем. 

Таким образом, ГИС можно определить как систему сбора, обработки, графического представления (визуализации) и анализа пространственно-распределенных данных. 

Строго говоря, ГИС не обязательно должна быть компьютерной. Можно представить себе развитую бумажную ГИС - допустим геологическую карту с объяснительной запиской, а также полевыми материалами и первичными отчетами об исходных данных (записи наблюдений, рисунки, фотографии, аналитические данные, данные замеров геофизических полей и пр.) плюс геологическая энциклопедия, где объясняется значение употребляемых терминов и приводятся сведения о характеристиках используемых для составления карты объектов, плюс методики обработки данных для конкретных практических или исследовательских целей и инструкции по составлению самой карты. Если сложить это в один пакет, придумать разумную систему ссылок на необходимую информацию и легкий доступ к этой информации, то получиться вполне хорошая ГеоИнформационная Система. 

Именно потому, что ГИС имеет дело с пространственными данными, которые можно представить в виде изображения, ее главные составные части - это взаимосвязанные исходные сведения (данные или документы), их графическое представление (карта, картинка, график и т.д.) и способы или методы перехода от одного к другому. Другими словами - ядро ГИС это как бы функция, областью определения которой является база исходных (табличных, графических, текстовых) данных, областью существования - графическое представление этих данных, а самой функциональной зависимостью является методика перевода одного в другое. 

В явном виде философия ГИСистем, которая так или иначе существовала с тех пор, как люди начали рисовать карты, проявилась после того, как для создания ГИС стали использовать компьютерную технику. Электронные ГИС имеют массу технологических преимуществ перед бумажными. Конфигурация ГИС позволяет получать информацию об объектах, как составляющих непосредственно карту, так и внешних по отношению к ней, прямо с экрана компьютера. Это касается как численных геометрических характеристик объектов, так и их внутренних свойств. Каждый объект электронной карты - это как бы папка с его описаниями и иэображениями, с переходами и ссылками на внешние базы данных, которая легко открывается и показывается на мониторе. 

В этом смысле ГИС можно рассматривать как библиотеку или склад, в котором по полочкам аккуратно разложены легко доступные для просмотра документы.

В этом смысле ГИС можно рассматривать как системы обмена и совместного пользования данными

В рамках ГИС легко изменять, редактировать легенды карт, причем это касается и сущностного содержания легенд, и их изобразительных свойств. На основе одной базы данных можно построить огромное количество в разной степени генерализованных специализированных карт. ГИСистемы позволяют легко сравнивать карты разного содержания одного региона (например топографические, геологические, геофизические, неотектонические, металлогенические и пр.), и выявлять соотношения между свойствами показанных на картах объектов как в качественной, так и в количественной форме. 

Данные, зашитые в ГеоИнформационную систему, легко дополняются, редактируются и анализируются. Поэтому электронные ГИС принадлежат к Системам Управляемых Баз Данных (СУБД). Формально не существует никаких ограничений на количество информации, содержащееся в ГИС. В ГИСистемах легко получать синтезированные документы, основанные на рассчете и корреляции пространственных распределений свойств откартированных объектов. То обстоятельство, что документы в ГИС хранятся в электронной форме в некоторых стандартных форматах, позволяет легко передавать их в другие, специализированные пакеты обработки данных, а результаты обработки - возвращать в ГИС. 

Иерархическая структура построения ГИС делает возможным включения любого отдельного ГИС проекта в более широкие системы другой исследовательской направленности. 

Последние перечисленные пункты позволяют рассматривать ГИС как исследовательскую, аналитическую систему.

В этом смысле ГИС можно рассматривать как издательско-редакционную систему.

Структура ГИС

А. Изображение геологической карты , которое состоит из координатно-привязанных площадных объектов (геологических тел), линейных объектов (геологических границ) и точечных объектов (например точек наблюдений). Координатная привязка обозначает, что каждая точка изображения имеет реальные географические координаты в той или иной геодезической проекции - ГИС карты всегда "посажены" на реальную земную поверхность, что и позволяет автоматически сшивать соседние листы и накладывать друг на друга карты одной и тоже территории. Принципиально важно, что изображение карты в ГИС имеет векторный, а не растровый формат. 

 

• Растровое компьютерное изображение представляет собой прямоугольную таблицу из множества строк и колонок, каждая ячейка которой закрашивается определенным цветом . В нормальном случае отдельные ячейки (элементы изображения или пикселы) не видны, но при сильном увеличении их легко обнаружить. Изображение представляет собой мозаику пикселов, точно также как совокупность зерен фотослоя составляет фотографическое изображение. Образы объектов изображения синтезируются в голове наблюдателя, физически в самом растровом изображении они не представлены. Формат записи растрового изображения включает в простейшем случае номер строки, номер колонки и цвет ячейки, каждый пиксел записывается индивидуально. Растровые изображения идеальны для передачи сложных картинок (например пейзажных фотографий), но мало пригодны в качестве управляющих элементов информационных систем, поскольку не допускают произвольного увеличения, управляются отдельными пикселами, количество которых может достигать многих миллионов, и, самое главное, самостоятельные пикселы в них физически не связаны в объектные совокупности.
• Векторная компьютерная графика изначально объектно ориентирована, и состоит из точечных, линейных и площадных объектов, расположение и конфигурация которых задается координатами граничных точек (точек в математическом, а не графическом смысле) и соединяющих их векторов. В отличии от пиксельной растровой мозаики, это скорее витраж или коллаж из цельных графических объектов, физически присутствующих в изображении. Простейший формат записи векторного изображения - это перечисление объектов разной топологии, для каждого из которых приводятся координаты узловых точек. Принципиально, что экранный облик каждого объекта векторного изображения управляется единственным параметром. Координаты точек векторного изображения легко преобразуются в географические координаты. Структура векторного изображения естественно не зависит от масштаба, поскольку переход из одного масштаба в другой достигается линейным пересчетом координат и конформным преобразованием изображений. Заметим, что векторная графика была изoбретена главным образом для САПРов. 

 

1. Таблица данных векторного изображения - это запись в определенном формате сведений об изображаемых объектах, в которой в строках перечисляются объекты (в той последовательности, в какой они выводятся на экран), а поля этой таблицы включают координаты узлов векторного изображения, кривизны линий, направлений перехода от узла к узлу и т.д. - всех тех характеристик, которые позволяют программе нарисовать на экране контурное изображение карты. В большинстве программ эта таблица в явном виде не показывается, и конфигурация объектов редактируется (меняется) непосредственно с экрана.
2. Таблица графических атрибутов векторного изображения, в которой каждому площадному, линейному или точечному объекту приписываются графические характеристики - толщина, облик и цвет линий, цвет и характер штриховки площадных объектов, экранный облик точечных объектов и т.д. Все эти характеристики имеют численную меры и задаются в числовой форме. Эти данные отражают графический облик легенды карты и во всех программах легко редактируются. Для этого существуют подпрограммы редакции легенд, но в некоторых графических программах возможно прямое редактирование таблицы графических атрибутов.
3. Таблица внешних атрибутов (ТВА) - это запись сущностных свойств объектов, показанных на карте. Каждому объекту приписывается единый для однородных объектов набор параметров (строка ТВА), который разрабатывается самим автором карты исходя из его потребностей. 

Стандартно для площадных геологических объектов прописываются тип объекта (стратиграфический, магматический, метаморфический и др.), возраст пород, названия серий, свит, толщ, комплексов, фаз и пр., литологический состав, наличие вторичных изменений, геологический индекс и т.д. Для линейных объектов прописывается тип контактов, тип границ и т.д. Внешние атрибуты могут записываться как в числовой, так и текстовой форме и редактируются они исключительно в самой таблице. Каждое поле таблицы внешних атрибутов может быть визуализировано на экране в собственной легенде, и грубо говоря, сколько полей (параметров) определено в таблице, столько разных карт (исходных карт) может быть показано на экране. Во всех ГИСистемах таблица атрибутов того или иного объекта показывается на экране простым кликом курсора-идентификатора по объекту.

Совокупность данных, позволяющих показывать и редактировать изображение карты на экране компьютера называется в целом внутренней базой данных. Важнейшей особенностью геоинформационных систем является наличие, кроме того, внешней базы данных. 

Б.Внешняя база данных 

Внешняя база данных ГИС представляет собой набор текстовых, графических, табличных или аудио-видеодокументов, детализирующих информацию об объектах карты. Графические материалы внешней базы данных геологической ГИС - это различные фотографии и зарисовки обнажений или ландшафтных объектов, построенные колонки и разрезы, диаграммы распределений компонентов и т.д. Также в ГИС вводятся табличные материалы (например результаты анализов или таблицы свойств объектов), и текстовые описания (например систематические описания точек наблюдения, описания разрезов, детализирующие описания комплексов, включенных в легенду карту, а также целые разделы отчетов, справочников, энциклопедий и т.д.). Многие ГИС могут преобразовать внешние табличные и текстовые данные в диаграммы. Ссылки на материалы внешней базы данных вводятся через координатно привязанные точечные объекты, которые размещаются отдельным слоем на карте и открываются кликом курсора по этим объектам, но в принципе могут быть привязаны к любым объектам карты, а также сами по себе составлять развитую систему гиперсылок (гипертекст), подобный хелпам стандартных Windows' программ. 

ГИС программы позволяют создавать многоуровенную подвеску материалов внешней базы данных, например, с карты в некоторой точке открывается детальное изображение объектов, с него - зарисовки обнажений, с них - описания разрезов, далее - рисунки шлифов, с последних - микрозондовские анализы отдельных минералов и так далее с какой-угодно подробностью. 

В. Третья необходимая структурная составляющая ГИС - программы управления данными

 
• программы редакции изображений, табличных и текстовых документов;
• программы импорта и экспорта данных;
• программы сшивки внешних и внутренних баз данных в единый проект;
• программы поиска объектов по его внутренним или внешним атрибутам или их комбинациям;
• программы создания синтезированных баз данных и соответствующих карт по атрибутивным таблицам разных слоев и их логическим комбинациям;
• программы оформления выходных листов карты для печати.

Построение ГИС

Основой геологической информационой системы является бумажная геологическая карта. Преобразование бумажной карты в ГИС проводится таким образом, что бы с одной стороны трансформировать изображение карты в цифровую, и притом, векторную форму, а с другой - приписать каждому элементу карты набор свойств-атрибутов, и установить между графическими образами объектов и их атрибутивными описаниями динамическое соответствие. Полученная в результате конструкция называется цифровой моделью карты. Для выполнения этих операций существуют специальные программы ГИС векторизации, в том числе популярные отечественные пакеты MapEdit и Easy Trace. 

Работа начинается с составления структуры базы атрибутивных данных, представляющей собой некоторую инвентаризационную ведомость всех объектов, изображенных на карте. Фактически структура базы данных - это определенным образом формализованная легенда карты. Самая крупная единица структуры - слой; в отдельные слои помещаются во-первых топологически разнородные объекты (т.е. точечные, линейные и площадные), а во-вторых объекты, имеющие разные наборы свойств-описаний (например, стратифицированные и магматические образования). Описание каждого слоя представляет из себя таблицу, в которой полями (колонками) является набор атрибутов, которыми будут описываться объекты слоя, а строчками - набор типов объектов. Соответственно в ячейки таблицы записываются значения атрибутов для каждого типа объектов. 

После подготовки формализованной легенды карты принимаются за саму карту. Ее сканируют, получают растровое изображение и загружают его в векторизатор. Используя точки карты с известными координатами, карту привязывают - т.е. заменяют условные векторные координаты экрана на географические координаты. После этого интерактивно трассируют границы геологических объектов карты, и, если необходимо, точечные объекты. В результате карта (ее экранное изображение) разбивается линейными границами на серию непересекающихся полигонов, образующих топологическое покрытие - важнейший элемент ГИС технологии. Каждому полигону приписывается подготовленный набор значений атрибутов, после чего он превращается в полноценный объект ГИС, а весь набор полигонов, линий и точек в векторную геологическую карту. 

После векторизации карту экспортируют в какой-нибудь развитую ГИС платформу, в которой полученная карта будет служить не только объектом анализа, но и входом ко внешней информации, основой для аналитических и последующих проектных исследований, и послужит исходным материалом для подготовки отредактированной карты к печати. Наиболее распространена платформа ArcViewGIS от Института исследований природных систем (ESRI) - пионера и идеолога геоинформационных технологий. 

Оформлением основной карты проекта и производных от нее карт, созданием формализованной цифровой модели изучаемых пространственных структур, расчетом диаграмм и графиков на основе атрибутивных и внешних данных, подвязкой внешних баз данных и встраиванием полученной ГИС в более широкие системы и завершается создание индивидуального ГИС проекта. Не исключено, что за счет широкого обмена данными и возможности независимой работы с едиными базами данных значительная часть геоинформационных систем так или иначе сольются в единый глобальный ГИС проект.