Географска информационна система

Географска информационна система (ГИС) е информационна система за създаване, манипулиране, съхраняване, анализ и визуализация на географски обвързани (пространствени) данни (на английски: Geographic data and information).
Същият акроним може да се използва за специалността ГИС, част от по-широката научна дисциплина геоинформатика. Извън обхвата на ГИС остава инфраструктурата от пространствени данни (на английски: Spatial data infrastructure), която е по-всеобхватна концепция.
ГИС се използват в различни области, като например картографията, управлението на ресурси, регионално и териториално планиране, и най-вече за подпомагане на вземането на информирани решения посредством пространствено моделиране. Създадени са специализирани интерактивни ГИС приложения, позволяващи на потребителя да задава критерии за търсене, да анализира пространствената информация, да редактира данни върху картите и да представя резултатите от тези операции по подходящ начин.
ГИС може да се отнася за различни технологии, процеси и методи. Технологията съпътства много операции и има много приложения в техниката, планирането, управлението, транспорта, застраховането, телекомуникациите, индустрията и във все повече области на човешкия живот. Поради това ГИС и приложенията, свързани с местоположението (на английски: location-based service, LBS), дават възможност за разработка на множество услуги за анализ и визуализация.
ГИС е в състояние да свърже на пръв поглед несвързана информация, като използва локацията като основна променлива за индексиране. Могат да бъдат записани събитията в точки с различни координати и по различно време, което отваря нови пътища за научни изследвания.
През 18 век са разработени модерни техники за изследване с цел правене на топографски карти, заедно с ранни варианти на тематична картография, например научни или статистически данни. Забележителен пример е картата на лекаря Джон Сноу, отразяваща епидемията от холера в Лондон от 1854 г., с чиято помощ е локализиран източникът на епидемията – един заразен кладенец.
Географските информационни системи са се развили от две независими области – цифровата картография и базите данни. Това развитие е тясно свързано с бързото нарастване на изчислителната мощ на компютрите и спада в техните цени, започнало от началото на 1960-те години.
През 1970-те години се развива стремежът за използване на компютрите, които да отменят ръчните картографски дейности, особено по отношение на по-трудоемките задачи, като надписване, оцветяване и др. Развитието на цифровата картография е най-вече следствие от прогреса в областта на компютърния дизайн (CAD – Computer-Aided Design). Тъй като CAD програмите са фокусирани главно в областта на инженерното чертане, много от техните графични техники са възприети и в цифровата картография.
През 60-те години на 20-и век силно нараства потребността от компютърни програми, които могат да извършват операции, свързани с анализа на картите, които са сложни и когато се извършват ръчно изискват много време. Някои от тези стари системи са:
Важно значение за развитието на ГИС имат и някои ранни разработки в Европа, като тези на шведския преподавател Хагерстранд, който през 1955 г. е изследвал аналитичния потенциал на пространствените данни, чрез отчитане на информация за местоположението и населението, свързана с домакинствата. Скоро след тези първоначални системи се развиват и други, като са използвани различни имена за описание на тяхната технология, като например Automated Mapping/Facilities Management (AM/FM) и Land Information Systems (LIS), които са в обращение. Вследствие от тази тенденция за използване на компютрите в картографията, понастоящем повечето от картите се изработват на компютър, като малка част от създателите на карти са всъщност специалисти-картографи.
Някои от предимствата на компютърно-базираната картография, които пряко влияят върху развитието на ГИС, са:
Въпреки това има и някои недостатъци на компютърно-базираната картография, които също влияят на развитието на ГИС:
С развиване възможностите на цифровата картография са добавени и връзки към бързо разрастващите се технологии на базите данни. Използването на системи за управление на бази данни е особено важно в съвременните концепции на ГИС, тъй като позволява интегриране на пространствени и непространствени данни. Системата за управление на бази данни е съвкупност от софтуер за организиране на информацията във вид на база данни. Тя може да включва модули за въвеждане на данните, проверка, съхранение, извличане, обработка, управление, сигурност и др. Развитието на релационните системи за управление на бази данни (RDBMS) е особено значимо, а системи като Oracle са широко използвани днес.
Първоначалните приложения на ГИС в САЩ и Канада са били предимно ориентирани в областта на земеползването и кадастъра и по-специално в управлението на горското стопанство, като Канадската ГИС, която влиза в действие през 1969 г. Тя е създадена с цел компютърен анализ на канадския земен фонд. Във Великобритания първите ГИС потребители са се занимавали с преобразуването на хартиените карти в цифров вид. Особено важен за въвеждане широкото използване на ГИС в Обединеното кралство бил докладът на лорд Хорлей за работа с географски данни, изнесен през 1987 г. в Комитета за науки и технологии към Камарата на лордовете.
Първата стъпка при интегриране на географска информация от различни източници е дефиниране на единна координатна система. ГИС притежават широка гама от координатни системи като предлагат трансформация на момента (on the fly). За целта всеки източник трябва да има дефинирана координатна система и параметри на трансформация. Втория проблем при интегриране на информация от различни източници е тяхната точност. В този случай е необходимо дефинирането на определени толеранси.
Ако може да се съотнесе информация за валежите в дадена държава към въздушни снимки на дадена област, може да се установи кои мочурища изсъхват през определени периоди от годината. Една ГИС, която може да използва информация от много на брой различни източници, може да помогне при такива анализи. Основното изискване към изходните данни е да се знае местоположението на различните стойности на променливите. Местоположението може да се обозначи с x, y и z координати за дължина, ширина и височина или чрез други географски кодове като пощенски кодове или километрични знаци по пътищата. Всяка променлива, която може да се разположи в пространството, може да се въведе в една ГИС. Няколко компютърни бази данни, които могат директно да се въведат в ГИС, се изработват от правителствени институции и неправителствени организации. В ГИС могат да бъдат въведени различни видове данни под формата на карти.
Една ГИС може също така да преобразува съществуваща информация в цифров вид, която може още да не е под формата на карта, във форми, които тя може да разпознава и използва. Например цифрови сателитни снимки, направени чрез дистанционно измерване, могат да бъдат анализирани, за да се създаде картообразен слой от цифрова информация за растителните покрития. Друг доста добре развит източник за именуване на ГИС обекти е Getty Thesaurus of Geographic Names (GTGN) – структуриран речник, съдържащ около 1 000 000 имена и друга информация за географски обекти.
По същия начин таблични данни от преброяване на населението или хидроложки измервания могат да се определят в географското пространство и да служат като слоеве в ГИС.
Данните в ГИС представят обекти от реалния свят (пътища, земеползване, релеф, населени места, хидрографска мрежа и т.н.) с цифрови данни. Обектите от реалния свят са два вида от гледна точка на представянето си в ГИС чрез два вида абстракции: дискретни обекти (напр. къща) и непрекъснати или индискретни (например количество валежи или надморска височина). Има два основни метода за представяне на данните в ГИС посредством тези двете абстракции: растерен и векторен.
Растерните данни се базират на равномерна мрежа от клетки, наричани пиксели, чрез която се представя изследваната площ. Положението на индивидуалните клетки (пиксели), което те заемат в даден масив, може да бъде определено по номера на реда и колоната. По дефиниция, всяка клетка е хомогенна единица, по отношение на нейните атрибути. Растерните формати се използват в сателитните и аеро-фото изображения, както и в растерно базираните ГИС, каквито са Grass, IDRISI, Sage, UNIX ArcInfo, разширението Spatial Analyst за ArcView и др. Съвременната тенденция при ГИС е те да предоставят възможности за работа, както с растерни, така и с векторни данни.
Предимства на растерните данни
Векторните данни представят обектите като точки, линии (полилинии) и полигони. Точковият обект се описва с една-единствена двойка координати X, Y. Линията се представя с ред от две или повече последователни точки, образуващи една или повече последователни отсечки. Полигонът е затворена полилиния, т.е. последователност от точки, образуващи отсечки, в която началната и крайната точка съвпадат (имат еднакви координати). По характер векторните данни могат да бъдат геометрични и топологични. Геометричните векторни данни описват обектите единствено чрез тяхната геометрия, т.е. форма, положение, размери, посока и т.н. При топологичните данни, в допълнение към геометричните свойства се поддържа информация за пространствените взаимоотношения между обектите, т.е. къде се намира всеки обект спрямо другите обекти.
Предимства на векторните данни
Както е възможно конвертирането на документи между две текстообработващи програми, като WordPerfect и Microsoft Word, така е възможно и преобразуването на растерни данни във векторни и обратно. Например сканирана селскостопанска карта би представлявала данни в растерен формат. Тя може да бъде конвертирана във векторен формат, в който да се съдържат различни полигони, изобразяващи площите с различни земеделски култури. Трябва да се има предвид, че докато преобразуването от векторен в растерен формат е лесен и бърз процес, то обратното конвертиране често изисква по-трудоемко „ръчно“ векторизиране на данните.
От отделни слоеве на векторен файл, може да се изработи цяла карта, в зависимост от желанието, след като се разбие на shape файлове.
Основната разлика между информацията в ГИС и тази в други информационни системи е пространствената ѝ определеност. За представянето на части от елипсоидната форма на Земята в равнина се използват различни картографски проекции.
Топологията е специфична структура на данните, често използвана в ГИС. При топологията се записват пространствените взаимоотношения между обектите от картата. Когато е създадена топологична структура, например, както е при областите (coverage) при ARC/INFO, тогава във файловете с данни се знае областта, която заемат, знае се какво заобикаля обектите, разбира се каква е обстановката по свойството за разпознаване на съседните обекти и се знае как да се стигне от точка А до точка В.
Топологичните взаимовръзки се записват в серия от таблици от релационна база данни. Всяка таблица съдържа информацията за даден обект. Например, таблицата за дадена полилиния ще съдържа следната информация:
По този начин, всяка точка, линия и полигон могат да бъдат дефинирани, чрез техните съседни обекти и привързаната към тях информация.
Процес на автоматично привързване на таблична база данни към географски координати.
Съвременните ГИС се използват и за картографиране, въпреки че тяхната функционалност многократно надраства възможността за просто визуализиране на обекти от географското пространство.
Метаданните са критичен елемент от всяка ГИС. Те представляват данни за самите географски данни.
Международният стандарт ISO 19115 дефинира единна схема за описание на географска информация и услуги. Посредством него се предоставя информация за естеството на данните, пространствения обхват, качеството, пространствените параметри, като изходен мащаб, координатна система, актуалността и информация за разпространението на данните и др.
Стандартът ISO 19115:2003 се прилага за инвентаризация на налични данни, с тяхното пълно описание. ISO 19115:2003 дефинира:
ГИС се използват за решаване на проблеми и задачи в Министерството на околната среда и водите, Министерството на регионалното развитие и благоустройството, Министерството на земеделието и храните, основно в агенции под шапката на изброените министерства. Също така се използват в Столична община, Софийска вода и редица частни фирми за решаване на задачи с геопространствен елемент.
Преподаването на ГИС е заложено в различна степен в програмите на Софийския университет в Геолого-географския факултет и Факултета по математика и информатика, на Университета по архитектура, строителство и геодезия, на Технически университет - София, на Лесотехническия университет.
През 1986 година започва изработването на една от първите български ГИС системи в Технически Университет – София. Ръководител на проекта от самото начало до днес е доц. д-р Моско Аладжем.
Open Geospatial Consortium (OGC) е международна нетърговска организация, която разработва стандарти в областта на геопространствените данни и услуги и координира усилията на над 500 правителствени, търговски, нетърговски и научноизследователски организации при разработването и внедряването на консенсусни решения в областта на отворени стандарти за геопространственни данни, обработка на данни чрез ГИС и съвместно използване на данните. Създадена е през 1994 г., а неин предшественик е Open GRASS Foundation (OGF), създадена през 1992 г. В периода 1994 – 2004 организацията е известна като Open GIS Consortium.
Разработени са OpenGIS каталог на услугите и стандартен език за кодиране (CityGML). Каталогът на услугите дава възможност за публикуване и търсене на колекции от описателна информация (метаданни) за пространствени данни, услуги и свързаните с тях ресурси. Доставчиците на ресурсите използват тези каталози за регистриране на метаданни, които отговарят за избора на доставчик на информационния модел; такива модели включват описания на пространствени препратки и тематична информация. По този начин клиентите могат да търсят пространствени данни и услуги в много ефективни начини.
CityGML представлява стандарт за представяне, съхраняване и обмен на виртуални 3D данни за населени места и ландшафтни модели. CityGML се реализира като допълнителна схема на езика GML3. CityGML описва комплексни модели, както геореферирани 3D векторни данни заедно със семантика, така и привързани данни. За разлика от другите 3D векторни формати, CityGML разполага с богата база с общо предназначение на информационния модел в допълнение към геометрията и допълнителна информация. За специфични зони, CityGML също предвижда разширен механизъм за добавяне на данни с идентифицирани особености при запазване на семантична оперативна съвместимост.
Списък на ГИС свободен софтуер или такъв с отворен код: