Ģeogrāfiskā informācijas sistēma

Ģeogrāfiskā informācijas sistēma (ĢIS) ir ar ģeogrāfiju saistītu datu uzglabāšanai, atjaunošanai, analīzei un attēlošanai izveidots tehnoloğiju kopums.
Šie dati var būt saistīti ar fizisku, ģeoloģisku, kultūras, demogrāfisku vai ekonomisku informāciju, līdz ar to ĢIS var plaši izmantot dažādu nozaru uzņēmumi un organizācijas, piemēram, pašvaldības, inženierkomunikāciju, transporta, telesakaru, medicīnas u.c. organizācijas. Ražošanas un tirdzniecības uzņēmumi ĢIS var pielietot realizācijas vadīšanā, tirgus analīzē, klientu analīzē, plānošanā, īpašumu pārvaldībā, loģistikā, iekārtu pārvaldībā, risku analīzē.

ĢIS skatījumi

ĢIS kā līdzekli var aplūkot no trīs skatījumiem. Kopumā šie trīs skatījumi veido inteliģentu ĢIS un tiek izmantoti dažādos līmeņos ĢIS lietojumos.

ĢIS kā datubāze

Pamatā ĢIS ir balstīta uz strukturētu datubāzi, kurā glabājas ģeogrāfiskie dati, kas saistīti ar zemes virsmu (ģeogrāfiskā datubāze jeb ģeodatubāze). Pirms ģeodatubāze tiek programmēta, lietotājiem jānosaka, kādā veidā noteikti dati tiks attēloti. Katra datu kopa ir saistīta ar reālās vides attēlojumu. Nozīmīgākās datu kopas ietver rastra datu kopas, sakārtotus vektoru datu kopumus (punktu, līniju un poligonu kopas), tīklus, teritorijas un apgabalus, kā arī citu informāciju, piemēram, adreses, kartogrāfisku informāciju u.tml.
Ģeodatubāzēs ietilpst arī objektus aprakstoši atribūtu dati, kuri tiek attēloti tabulu veidā un ir saistīti ar objektiem, izmantojot atslēgas. Tabulārās informācijas kopām un to attiecībām ir liela nozīme ĢIS datu modeļos.
Topoloģijas un tīkli raksturo nozīmīgas telpiskās attiecības ĢIS datubāzē. Topoloģija ir matemātikas nozare, kuras pamatā ir nepārtrauktības ideja. To izmanto, lai pārzinātu robežas starp objektu pazīmēm, definētu un ieviestu datu integritātes noteikumus un uzturētu topoloģiskos vaicājumus un navigāciju, kā arī lai veidotu elementus no nestrukturētas ģeometrijas (piemēram, veidotu poligonus no līnijām). Savukārt tīkli, kas ir specializēti topoloģiju gadījumi, apraksta tīklveida struktūru jeb orientētu vai neorientētu grafu, kas tiek analizēts ģeogrāfisko problēmu risināšanai, izmantojot grafu teorijas algoritmus. Šī īpašība ir svarīga elektrotīklu, kabeļu, cauruļvadu un citu tīklveida objektu modelēšanā.
ĢIS sakārto telpiskos datus tematiskos slāņos un tabulās. Tematiskie slāņi ir analogs reālās vides objektu attēlojums, tie pārklājas. Objektu informācija sakārtota grupās, piemēram, ceļi, purvi, ēku kadastri u.tml. Tematisko slāņu pieeja ļauj skatīt reālās pasaules sarežģītību vienkāršā attēlojumā, labāk saprotot dabiskās attiecības.

ĢIS kā karte

ĢIS satur „inteliģentās” kartes un citus skatījumus, kas attēlo zemes virsmas pazīmes un pazīmju attiecības. Kartes, kuru pamatā ir ģeogrāfiskā informācija, var tikt uzskatītas kā „logi uz datubāzi”, lai veidotu vaicājumus, veiktu analīzi un rediģētu informāciju. To sauc par ģeovizualizāciju, kas šaurākā nozīmē ir darbs ar kartēm un citiem ģeogrāfiskās informācijas attēlošanas veidiem, tajā skaitā trīsdimensionāliem attēliem, interaktīvām kartēm, kopsavilkuma tabulām un grafikiem, shematiskiem tīkla attiecību attēlojumiem u.c.
Lielākajā daļā ĢIS lietojumprogrammu lietotāju saskarnes pamatā ir interaktīvās kartes. Šīs kartes var būt pieejamas vairākos līmeņos — kā kartes mobilajās ierīcēs, Interneta kartes u.tml.
Kartes tiek izmantotas ne tikai, lai attēlotu ģeogrāfisko informāciju, bet arī dažādu uzdevumu veikšanai, piemēram, kartogrāfijai, analīzei, vaicājumiem u.tml. ĢIS kartes ir līdzīgas parastajām papīra kartēm, taču atšķiras ar to, ka ar tām var veikt dažādas interaktīvas darbības, piemēram, atslēgt konkrētam uzdevumam nevajadzīgus tematiskos slāņus, iekrāsot kādus objektus, norādīt uz objektiem, iegūstot par tiem informāciju no datubāzes, turklāt iespējams arī kartēs izdarīt labojumus, ja nepieciešams. Šādu darbību iespējamība palīdz veikt situāciju analīzi un pieņemt pareizākus lēmumus.

ĢIS kā modelis

Ģeogrāfiskās informācijas sistēmās ietilpst informācijas transformācijas līdzekļi, kas no esošajām ģeogrāfisko datu kopām izveido jaunas. Šī ģeoapstrādes funkcija izpaužas tā, ka tiek ņemta informācija no esošām datu kopām, veikta analīze un rezultāti ierakstīti jaunā atvasinātā datu kopā. Ģeoapstrāde tiek izmantota, lai modelētu datu plūsmas procesu, izpildot dažādus ĢIS uzdevumus, piemēram, integrējot datus informācijas sistēmā, importējot dažādu formātu datus un izpildot importēto datu standarta kvalitātes pārbaudes. Ģeoapstrādi izmanto praktiski visās ĢIS fāzēs datu automatizēšanai, kompilēšanai, kā arī datu pārvaldīšanā, analīzē un modelēšanā.

ĢIS elementi

Kā galvenās ĢIS elementu grupas ir datortehnika, programmatūra, dati un cilvēki.

Datortehnika

Datortehnika ietver iekārtas, kas nepieciešamas, lai nodrošinātu ĢIS darbību sākot no datu savākšanas līdz to analīzei.
Minimālais ĢIS datortehnikas risinājums sastāv no darbstacijas, datu glabāšanas ierīcēm, ievadierīcēm, izvadierīcēm.
Galvenā datortehnikas sastāvdaļa ir darbstacija, kura, nodrošināta ar nepieciešamo programmatūru, ir saistošs elements pārējām ierīcēm. Būtiskākais darbstacijas komponents ir centrālais procesors, jo tas datu apstrādes gaitā veic instrukciju interpretāciju un vada citu datora bloku darbību.
Ļoti svarīgas sastāvdaļas ir operatīvā un palīgatmiņa. Operatīvajā atmiņā līdz pārsūtīšanai palīgatmiņā glabājas izpildāmā programma, starprezultāti un dati. Ņemot vērā, ka ĢIS lietošanas laikā jāapstrādā miljoniem darbību, jo datu apjoms ir milzīgs, operatīvajai atmiņai kā minimums jābūt 64 Mb lielai. Palīgatmiņa ir nepieciešama lielu pastāvīgo failu glabāšanai, tās ietilpība ir lielāka nekā operatīvajai atmiņai, taču arī ilgāks piekļuves laiks. Šo atmiņu sastāda tādas ierīces kā cietie diski, disketes, magnētiskās lentes, optiskie diski. ĢIS veiksmīgai darbībai cietā diska apjomam jābūt vismaz 1 Gb apjomā.
Kā ievadierīces darbstacijai pievieno standarta tastatūru, peli, kā arī citas ierīces, kas nepieciešamas darbam konkrēti ar kartēm un telpisko, ģeogrāfisko informāciju — attēlu skeneri, ciparkameru, ciparotāju (ciparošanas planšeti) u.c. Ar ciparotāja vai ciparošanas planšetes palīdzību iespējams cietās kopijas, piemēram, papīra kartes, pārveidot ciparattēlos. Izvēloties skeneri vai ciparotāju datu ievadei, jāpievērš uzmanība ierīces izšķirtspējai, jo no tās atkarīga datu precizitāte.
Pamata izvadierīces sastāv no augstas kvalitātes un labas izšķirtspējas vairāk nekā 256 krāsu monitora un printera. Liela izmēra karšu un plakātu izdrukai izmanto ploterus. Arī projektorus var izmantot kā izvadierīces datu un karšu attēlošanai uz ekrāna.

Programmatūra

Kā jebkurā datortehnikas programmatūras komplektācijā, arī darbam ar ĢIS ir nepieciešama operētājsistēma, kas vada datu organizēšanu un programmu izpildi datorā, nodrošina aparatūras un programmatūras kopdarbību, resursu racionālu izmantošanu, kā arī sadarbību ar lietotāju.
ĢIS lietojumpakotne nodrošina instrumentus ģeogrāfiskās informācijas glabāšanai, analizēšanai, efektīgai attēlošanai un izplatīšanai. Ar ĢIS lietojumprogrammu palīdzību iespējams pārskatīt un nepieciešamības gadījumā labot telpisko informāciju, kā arī apstrādāt to, lai veidotu un atlasītu informāciju, kura ir nepieciešama.
Galvenie lietojumprogrammas elementi ir instrumenti ģeogrāfisko datu ievadei un apstrādei, datubāzes pārvaldības sistēma, instrumenti, kas atbalsta ģeogrāfiskās informācijas vaicājumus, analīzi un vizualizāciju, grafiska saskarne ar ērti pieejamiem instrumentiem.
Dažkārt ĢIS lietojumprogrammai ir papildinājumi, kas paplašina tās iespējas. Tiek izstrādātas arī atsevišķas ĢIS lietojumprogrammas komponentes, kuras izmantojot iespējams veidot ĢIS lietojumprogrammas atbilstoši lietotāju nepieciešamībai. Utilītprogrammas darbojas patstāvīgi un paredzētas specifisku funkciju izpildei, piemēram, lai pārveidotu vienu ĢIS failu citā. Datu lietošanai caur Interneta pārlūku ir izveidota Web-ĢIS programma.
Papildus ĢIS lietojumprogrammai, iespējams, ir nepieciešams atsevišķi instalēt arī dažādas citas programmas, piemēram, skenerim paredzētu.

Dati

Ģeogrāfiskie dati iespējams ir vissvarīgākais ģeogrāfiskās informāciju sistēmas komponents, jo neviena telpiskā analīze nevar tikt veikta un būt izmantojama, ja netiek izmantoti aktuāli un precīzi telpiskie dati.
Ar ĢIS saistītie dati tiek iedalīti telpiskos un atribūtu datos.
Ir divi ĢIS telpisko datu pamatmodeļi: vektoru dati un rastra dati. Abi šie datu modeļi tiek izmantoti, lai vizuāli attēlotu objektus vai vietas uz zemes virsmas, taču starp modeļiem ir arī nelielas atšķirības. Vektoru datu modelis objektus vai vietas vizuāli attēlo ar punktiem, līnijām un poligoniem. Savukārt rastra datu modelis izmanto pikseļu vai šūnu matricas.
Visvairāk ģeogrāfiskās informācijas sistēmās tiek izmantoti vektora dati. Tas saistīts ar to, ka šos datus ir ērti glabāt, tie neaizņem daudz vietas uz cietā diska un tiem ir augsta reprezentācijas precizitāte. Taču vislabākā vektoru datu īpašības atklājas to funkcionalitātē — spējā veikt karšu projekcijas maiņu, pārklāšanos un analīzi.
Rastra datiem ģeogrāfiskā telpa ir sadalīta šūnās un datu piesaistīšana koordinātēm notiek definējot apakšējās labās šūnas koordinātas un augšējās kreisās šūnas koordinātas. Rastra datus vairāk izmanto ĢIS, kur ir saistība ar satelītuzņēmumiem un aerofoto. Šim datu veidam sliktākās īpašības ir tās, ka tie ir ļoti apjomīgi un grūti uzglabājami, kā arī nav analizējami un viegli modificējami, kas ir ārkārtīgi svarīgi aktualizējot informāciju.
Ir vēl trešais datu modeļa tips — TIN dati, kas sastāv no nepārklājošu un topoloģiski saistītu trijstūru kopām, taču šis datu modeļa tips ir diezgan sarežģīts pēc uzbūves un netiek tik bieži izmantots kā vektoru vai rastra dati.
Atribūtu dati ir tikpat svarīgi kā telpiskie dati. Tos parasti var aplūkot tabulu formā, kā arī tie var ietvert skaitļus, attēlus, CAD zīmējumus. Atribūtu dati apraksta objektus, to īpašības un ir saistīti ar telpiskajiem datiem.
Taču papildus telpiskajiem un atribūtu datiem, tikpat nozīmīgi ir arī metadati, ĢIS datu kopu dokumentācija. Metadatus vienkāršoti varētu dēvēt „dati par datiem”, tie apraksta dažādus datu aspektus, piemēram, identifikāciju (kurš ir izveidojis datu kopu, kāds ir datu kopas nosaukums, cik aktuāli ir dati u.tml.), datu kvalitāti (cik dati ir kvalitatīvi, vai dati ir pilnīgi u.tml.), ģeogrāfisko norādi un sakārtošanas informāciju (kā dati ir saistīti ar reālo pasauli (koordinātu sistēma), kā dati ir sakārtoti (datu modeļi, topoloģija)), entītiju un atribūtu informāciju (kāda ģeogrāfiskā informācija ir iekļauta (ceļi, cauruļvadu tīkli), kā informācija ir kodēta u.tml.), izplatību (kādi datu formāti ir pieejami, kādas ir datu izmaksas u.tml.). Novērtējot metadatus, lietotājs var noteikt, vai dati attaisno tā vajadzības.
Ģeogrāfiskos datu un ar tiem saistītos atribūtu datus parasti ievāc paši ĢIS lietotāji vai iegādājas no datu izplatītājiem, piemēram, nopērkot jau izveidotu digitālo karti.

Cilvēki

ĢIS tehnoloģiju izmantošana ir efektīva tikai tad, ja sistēmu uzrauga un vada kvalificēts, apmācīts personāls, tādējādi ir svarīgi, lai lietotāji pārzinātu ģeogrāfiju, telpisko datu analīzi un prastu rīkoties ar ĢIS programmatūru. Attiecībā uz cilvēkiem, kas saistīti ar ĢIS, darbojas trīs faktori: izglītība, karjeras virzība un sadarbība ar citiem speciālistiem. Pašlaik cilvēki ar ĢIS zināšanām ir pieprasīti plašā profesiju lokā valsts un pašvaldību uzņēmumos, privātajos uzņēmumos un nevalstiskajās organizācijās. Mācību iestādes piedāvā apgūt dažādus kursus un studiju programmas topošajiem ĢIS lietotājiem un izstrādātājiem.
ĢIS lietotāju loks ir sākot no tehniskajiem speciālistiem, kas projektē un uztur sistēmu līdz tiem, kuri ĢIS izmanto savu ikdienas darba pienākumu pildīšanai.
Sistēmas pamatlietotāji visbiežāk ir cilvēki, kuri ir labi apmācīti darbam ar ĢIS. Necipardatu pārveidošana cipardatos, kļūdu pārbaude, rediģēšana, jēldatu analīze un vaicājumu risinājuma galējā izvade ir galvenie sistēmas lietotāja uzdevumi. Šīs grupas darbinieki ir visvieglāk aizvietojami.
Sistēmoperatori ir atbildīgi par ikdienas ĢIS operācijām, visbiežāk veicot uzdevumus, kas ļauj sistēmas lietotājiem efektīvi strādāt. Viņu darba pienākumos ietilpst traucējummeklēšana, programmu un datu failu dublēšanas nodrošināšana. Sistēmoperatori ir atbildīgi arī par lietotāju apmācību un lielākoties sistēmoperatoriem pašiem ir sistēmas lietotāju pieredze. Viņiem arī parasti ir zināšanas par datortehnikas un programmatūras konfigurācijām, līdz ar to sistēmoperatori var veikt sistēmas jauninājumus. Bieži vien sistēmoperatori veic arī datubāzu administratoru pienākumus, rūpējas par sistēmas drošību un integritāti, lai novērstu iespējamos datu zudumus vai bojājumus.
ĢIS piegādātāji ir atbildīgi par programmatūras atbalstu un nodrošināšanu ar atjauninājumiem. Dažkārt piegādātāji sadarbojas ar datortehnikas izstrādātāju uzņēmumiem, lai nodrošinātu saistītus programmatūras un datortehnikas komplektus. Ir gadījumi, ka ĢIS piegādātāji uzņemas arī sistēmas lietotāju apmācību.
Datu piegādātāji var būt publiskas vai privātas organizācijas. Publiskās organizācijas, kas galvenokārt ir valsts vai pašvaldību aģentūras, piedāvā plaša apjoma datus. Lielākoties šie dati ir savākti pašu vajadzībām, taču ir pieejami arī citām ārējām organizācijām. Privātie uzņēmumi var piedāvāt pašu ģenerētus datus vai arī iegūtus datus no publiskām aģentūrām, taču pielāgotus savām vajadzībām. Atsevišķus datus var iegūt gan bezmaksas, gan par maksu.
Lietojumprogrammu izstrādātāji ir apmācīti programmētāji, kas izveido lietotājam draudzīgu saskarni vienkāršākai uzdevumu izpildei. Galvenokārt saskarnes tiek programmētas makrovalodā. Kādreiz lietojumprogrammatu izstrādātāji lielākoties bija iekšējais personāls, kam bija ilgu gadu pieredze darbā ar ĢIS programmatūru. Taču pašlaik ir tendence veidoties mazām konsultantfirmām, kas nodarbojas ar lietojumprogrammu projektēšanu klientiem.
ĢIS sistēmas analītiķi ir cilvēku grupa, kas pēta biznesa problēmas un vajadzības, lai noteiktu, kā ar informācijas tehnoloģiju palīdzību šīs problēmas varētu atrisināt un tādējādi veicinātu uzņēmējdarbību. Visbiežāk sistēmas analītiķi ir profesionāļu komandā, kura ir atbildīga par sistēmas mērķu noteikšanu, sistēmas uzlabošanu un nodrošina veiksmīgu sistēmas integrāciju uzņēmuma struktūrā.