Geoinfosüsteem

Geoinfosüsteem (lühendatult GIS) ehk kohateabesüsteem on automatiseeritud süsteem ruumiliste andmete kogumiseks, haldamiseks, säilitamiseks, päringute teostamiseks, analüüsiks ja esituseks. Geograafilised infosüsteemid hõlmavad kartograafiat, statistilist analüüsi ja andmebaaside tehnoloogiat.

Ajalugu

Esimeseks geograafilise meetodi kasutamiseks võib pidada 1854. aastal John Snow koostatud kaarti, kus kujutati koolerapuhangut Londonis. Konkreetsete haigusjuhtude esitamiseks kasutas John Snow punkte. Tema uurimus koolera leviku kohta viis haiguse allikani, milleks osutus haiguspuhangu keskmes asuv nakatanud veepump (Broad Streeti veepump, mille käepideme Snow haiguspuhangu lõpetamiseks eemaldas). John Snow' kaart oli unikaalne, kuna esmakordselt ei kasutatud kartograafilisi meetodeid ainult geograafiliste fenomenide kujutamiseks, vaid ka analüüsiks.
20. sajandi alguses arenes fototsinkograafia, mis lubas kaardi jagada kihtideks. Näiteks üks kiht kujutaks vegetatsiooni ja teine vetevõrku. See oli eriti kasulik samakõrgusjoonte trükkimisel, kuna nende joonestamine oli töömahukas protsess. Nende eraldi kihil asetsemine võimaldas joonestajal nendega tegeleda, ilma et teised kihid teda segaksid. Algselt kasutati joonestamisel klaasplaate, hiljem mindi üle plastikust filmile, mis oli kergem, hõivas vähem laoruumi ning polnud nii habras. Pärast kõigi kihtide valmimist kombineeriti need kokku üheks pildiks. Värvitrüki tulekuga ei loobutud eraldi kihtide ideest, igale värvile loodi printimiseks eraldi plaat. Kuigi kihtide kasutamine kujunes kaasaegse GIS-i tüüpiliseks põhijooneks, ei peeta just kirjeldatud fotograafilist protsessi geograafiliseks infosüsteemiks – kaardid on kõigest kujutised, millega pole seotud mingid andmebaasid.
Aastal 1960 arendati Kanada pealinnas Ottawas rahvusliku Metsanduse ja Maaelu Arendamise Osakonna poolt maailma esimene operatsiooniline GIS. Roger Tomlisoni väljatöötatud geoinfosüsteemi nimetati CGIS (Canada Geographic Information System) ning seda kasutati CLI (Canada Land Inventory) jaoks kogutud andmete säilitamaks, analüüsiks ja manipuleerimiseks. Kaardistades informatsiooni muldade, põllumajanduse, rekreatsiooni, looduse, vete, metsanduse ja maakasutuse kohta, mõõtkavas 1:50 000, oli eesmärgiks hinnata Kanada maapiirkondade võimekust. Analüüsi võimaldamiseks lisati ka hindamise klassifikatsiooni faktor. Tomlisoni tuntakse seetõttu kui "GIS-i isa". CGIS kestis kuni 1990ndateni ning selle aja jooksul koostati Kanadas suur digitaalne maaressursside andmebaas. CGIS polnud kunagi saadaval kommertskasutuseks.
1964. aastal moodustas Howard T. Fisher Harvardi disaini doktorikoolis (Harvard Graduate School of Design) LCGSA (the Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis), kus arendati olulisi ruumiliste andmetega seotud teoreetilisi kontseptsioone. Lisaks levitati 1970. aastatel mitmeid tarkvarakoode ja -süsteeme, näiteks "SYMAP", "GRID" ja "ODYSSEY". Need olid aluseks edasistele kaubanduslikele arengutele kogu maailma ülikoolide, uurimiskeskuste ja ettevõtete vahel.
1980. aastate alguses M&S Computing (hiljem Intergraph) koos Bentley Systems, Incorporatediga lõid CAD-i (computer-aided design) platvormi. ESRI (Environmental Systems Research Institute), CARIS (Computer Aided Resource Information System) ja ERDAS kerkisid esile kui GIS-i tarkvara kaubanduslikud edasimüüjad. Seejuures hõlmates edukalt mitmeid GIS-i põhijooni. Esimese põlvkonna lähenemine (ruumilise ja atribuutide informatsiooni eraldamine) kombineeriti teise põlvkonna lähenemisega (organiseerida atribuutide andmed andmebaaside struktuuridesse). 1970. aastate lõpus ja 1980. aastate alguses algas paralleelselt kahe avaliku domeenisüsteemi areng.
Aastal 1977 algas Colorados Fort Collinsis WELUTi (Western Energy and Land Use Team) ja USA Kala ning Looduse Teenistuse (Fish and Wildlife Service) patronaaži all projekt MOSS (The Map Overlay and Statistical System). GRASS GIS avalikustati aastal 1982 Champaignis, Illinoisis USA sõjaväe inseneride haru USA-CERL (US Army Corps of Engineering Research Laboratory) poolt, et vastata USA sõjaväe maahalduse ja keskkonna planeerimise tarkvara vajadusele.
1980. aastate lõpus ja 1990. aastatel kannustas GIS-i kasutamine UNIX-i tööjaamades ning ka personaalarvutite levik tegevusala kasvu. 20. sajandi lõpuks oli paljude süsteemide kiire kasv stabiliseerunud ning standardiseerunud suhteliselt vähestele platvormidele. Kasutatakse aina enam võimalust vaadata GIS-i andmeid internetist. Operatsioonisüsteemides liigub kasvav number tasuta GIS-i pakette, mida saab kohandada vastavalt spetsiifilisele ülesandele. Pidevalt suureneb ruumiliste andmete ja kaardirakenduste hulk, mis on saadaval veebikeskkonna kaudu.

GIS-i tehnikad ja tehnoloogiad

Tänapäevased GIS-i tehnoloogiad kasutavad digitaalset informatsiooni, mille saamiseks kasutatakse mitmeid digiteeritud andmete loomise meetodeid. Kõige tavalisem andmeloome meetod on digiteerimine, kus paberkandjal olev kaart või uuringu plaan muudetakse raalprojekteerimise (CAD) programmi ja georefereerimise võimalusi kasutades digitaalseks. Seoses ortofotode laialdase kättesaadavusega on peamiseks geograafiliste andmete kogumise viisiks saamas vertikaalseire (seire ülevalt alla).

Eri allikatest pärit informatsiooni sidumine

GIS kasutab kogu ülejäänud informatsiooni asukohtade võtmeindeksi muutujana aegruumi asukohta. Just nagu suhteline andmebaas, mis sisaldab teksti või arve, on võimeline end tavaliste võtmeindeksite muutujate kaudu siduma paljude tabelitega, saab GIS-i kasutades asukoha kui võtmeindeksi muutujaga siduda muidu seosetut informatsiooni. Võtmeks on asukoht ja/või ulatus aegruumis.
Igale muutujale, mida saab ruumis lokaliseerida (aina enam saab seda teha alaliselt), saab GIS-i kasutades viidata. Asukohad Maa aegruumis võivad olla salvestatud kuupäevade / esinemise kellaaegade või x-, y- ja z-koordinaatidena, mis esitavad vastavalt pikkuskraadi, laiuskraadi ja kõrgust. GIS-i koordinaadid võivad esindada viiteid teistele kvantitatiivsetele süsteemidele (näiteks maantee miilimärk, hoone aadress, geodeedi mõõtemärk, ristmik jne). Kuid alalise ruumilise andmestiku salvestamiseks kasutatud ühikud varieeruvad laialdaselt (isegi kasutades täpselt samu andmeid). Kõik Maa aegruumi asukohad ja ulatuse viited peaksid ideaalsel juhul olema seotud üksteisega ning ka "tõelise" füüsilise asukohaga või ulatusega aegruumis.
Olles seotud täpse ruumilise informatsiooniga, on võimalik uskumatult suure mitmekesisusega reaalse maailma ja projekteeritud mineviku või tuleviku andmeid analüüsida, tõlgendada ja esitada, edendamaks haridust ning hõlbustamaks otsuste tegemist. Tänu neile GIS-i peamistele omadustele on hakatud looma uusi teaduslikke uurimusi käitumise ja mustrite kohta, kasutades seejuures informatsiooni, mida varem peeti omavahel seosetuks.

GIS-i ebatäpsus

GIS-i täpsus sõltub algandmetest ning sellest, kuidas see on vastavatele andmetele viitamiseks kodeeritud. Geodeetidel on asukoha positsioneerimiseks GPSi kasutades õnnestunud pakkuda kõrgel tasemel asukohatäpsust. Võimsad arvutid, veebitehnoloogiad, suure resolutsiooniga digitaalsed reljeefikaardid ja aerofotod  on muutmas GIS-i kvaliteeti, kasulikkust ja ootusi (GIS peaks ühiskonda kõrgel tasemel teenima). Sellest hoolimata on olemas ka teistsugused andmeallikad, millel on samuti GIS-i üldisele täpsusele suur mõju. Nendeks on näiteks paberkaardid, mida ei peeta soovitud täpsuse saavutamiseks väga sobivateks, kuna kaartide vananemine mõjutab nende dimensionaalset stabiilsust.
GIS-i jaoks digitaalse topograafilise andmebaasi loomisel on peamisteks andmeallikateks topograafilised kaardid, lisaallikateks on aerofotod ja satelliidifotod. Väga olulisteks aspektideks on kaardi mõõtkava ja geograafilise ala esitusviis. Kaardi digiteerimiseks peab kaart olema teoreetilistes dimensioonides kontrollitud, seejärel skaneeritud rasterkujule ning selle tulemusena saadavale rasterandmestikule tuleb omakorda anda teoreetiline dimensioon.
Ebamäärasus on GIS-i loomise juures märkimisväärne probleem, kuna ruumilisi andmeid kiputakse kasutama saavutamaks eesmärke, mille jaoks need pole mõeldud. Mõned kaardid loodi palju aastakümneid tagasi, kui arvutitööstus polnud veel oma perspektiivi saavutanud. See on viinud tavalistele normidele mittevastavate ajalooliste kaartideni. Kaardi täpsus oli kartograafias vähetähtis. Kõik kaardid loodi kommunikatsiooni eesmärgil. Kaartide koostajad kasutasid maailmast kujutluspildi loomiseks ajalooliselt kindlaks määratud tehnoloogiat: sulepead ja paberit. Kartograafid tundsid vähest vajadust võtta informatsiooni edastamise aluseks täpsust.
Kaartide kvantitatiivne analüüs toob fookusse täpsusega seotud küsimused. Elektroonilised ja muud seadmed, mida kasutatakse GIS-i jaoks mõõtmiste tegemiseks, on palju täpsemad kui tavalised kaardianalüüsi seadmed. Kogu geograafiline andmestik on loomupäraselt ebatäpne ning need ebatäpsused levivad GIS-i operatsioonide kaudu viisidel, mida on keeruline prognoosida.
GIS saab ka olemasoleva (võimalik, et mitte kaardi kujul) digitaalse informatsiooni teisendada kujule, mida GIS on võimeline tuvastama, kasutama andmeanalüüsi protsessides ja formuleerima kaardi kujul olevaks väljundiks.

Andmete esitusviis

GIS andmed esindavad reaalseid objekte (näiteks teed, maakasutus, kõrgus, puud, veeteed jne) koos digitaalse andmestikuga. Reaalseid objekte saab jagada kaheks abstraktsiooniks: diskreetsed objektid (näiteks maja) ja pidevad väljad (näiteks sademete hulk). Traditsiooniliselt kasutatakse mõlema abstraktsiooni puhul GIS-is andmete säilitamiseks kahte meetodit: raster- ja vektorkaarte. Uus hübriidne andmete säilitamise meetod on punktipilvede identifitseerimine kombineerituna RGB informatsiooniga iga punkti kohta, mille tulemusena luuakse värviline 3D-kaart. Seeläbi muutuvad GIS-i teemakaardid aina enam visuaalselt realistlikumaks.

Andmete hankimine

GIS-iga seotud üheks aeganõudvaimaks protsessiks on andmesisestus. GIS-i andmete sisestamiseks on mitu meetodit.
Paberkandjal või PET-filmi kaartidel olevat andmestikku saab digitaalsele kujule üle viia digides või skaneerides. Digimine toodab vektorandmeid. Skaneerimise tulemusena saadakse rasterandmestik, mida võib edasiste protsesside käigus kasutada vektorandmete tootmiseks.
Uurimuste andmed võib digitaalsetest andmekogumise süsteemidest või uurimisinstrumentidest kanda otse geoinfosüsteemi. Selleks kasutatakse koordinaatgeomeetria (COGO) tehnikat. Veel üks uurimisvahend on globaalse navigatsiooni satelliitsüsteem (GNSS), näiteks GPS (Global Positioning System), mida kasutades saadud asukohad võib samuti kanda üle GIS-i. Praegune andmete kogumise trend võimaldab kasutajatel toimetada andmeid reaalajas. See välistab pärast välitööde lõppu edasise andmete töötluse, importimise ja uuendamise vajaduse. Uued tehnoloogiad võimaldavad nii kaarte kui ka analüüse toota välitööde käigus. See muudab projektid palju efektiivsemaks ja kaardistamise palju täpsemaks.
Ka kaugseirel on andmete kogumise juures oluline roll. Kaugseireks on vaja andurit ja platvormi. Kaugseires kasutatavateks sensoriteks on kaamerad, digitaalsed skannerid ja LIDAR, platvormidena kasutatakse tavaliselt lennukeid ja satelliite. Koos miniatuursete UVA-de arenguga on õhust kogutavate andmete hankimine muutunud võimalikuks märgatavalt odavamalt, kuid palju suurema pildistamissagedusega. Praegu põhineb aerofotode tõlgendamisest enamus digitaalsest andmestikust.
Veel üheks oluliseks ruumiliste andmete allikaks on satelliitidelt tehtav kaugseire. Siin kasutavad satelliidid erinevaid sensoripakette, et passiivselt mõõta elektromagnetilise spektri osade peegeldust või raadiolaineid, mis on välja saadetud aktiivselt sensorilt, näiteks radarilt. Kaugseire kogub rasterandmeid, mille edaspidisel töötlemisel saab tuvastada objekte ja huvipakkuvaid klasse, näiteks maakattetüüpi.
Andmete kogumisel tuleb kasutajal arvestada, kas andmeid peaks koguma suhtelise või absoluutse täpsusega. See ei pruugi mõjutada ainult informatsiooni tõlgendust, vaid ka andmete hankimise kulukust. Lisaks ruumiliste andmete kogumisele ja lisamisele sisestatakse GIS-i ka atribuutide andmed. Pärast andmete sisestamist GIS-i vajab see tavaliselt toimetamist. Vektorandmed tuleb enne edasist analüüsi muuta "topoloogiliselt korrektseks".

GIS-i areng

GIS-i tehnoloogiast saavad kasu paljud distsipliinid. Aktiivne GIS-i turg on viinud madalamate hindade ja pidevate edasiminekuteni GIS-i komponentide riist- ja tarkvaras. Need arengud viivad palju laiema tehnoloogia kasutuseni teaduses, valitsuses, äris ja tööstuses. Seda saab omakorda kasutada arenguteks kinnisvaras, tervishoius, kuritegevuse kaardistamises, riigikaitses, jätkusuutlikus arengus, rahvuslike ressursside haldamises, maastikuarhitektuuris, arheoloogias, regionaalses arengus, transpordis ja logistikas. Uuema edasiminekuna on GIS hakanud tegelema asukohapõhiste teenustega (LBS). LBS võimaldab GPS-võimekusega mobiilsetel seadmetel kuvada nende asukohta nii liikumatute objektide (lähim restoran, bensiinijaam jne) kui ka mobiilsete väärtuste suhtes (sõbrad, lapsed, politseiautod jne). Nende teenuste areng jätkub koos GPS-i funktsioonide ja mobiilelektroonikaga seadmete (mobiiltelefonid, pihuarvutid, sülearvutid) võimsuse kasvuga.