Геоинформационные системы и "облачные" технологии
Инструменты реализации и поддержки ГИС
По своему назначению ГИС можно разделить на четыре широкие функциональные категории: простые инструменты составления карт и диаграмм; настольные компьютерные и встроенные ГИС-пакеты широкого применения; полнофункциональные системы; ГИС уровня всего предприятия (корпоративные системы) [Андрианов В., 1999].
Инструменты составления диаграмм данных и картирования. Средства этой категории дешевы и просты в использовании, но по некоторым функциональным возможностям могут быть вполне сравнимы с более сложными системами. Типичными примерами являются инструменты для электронных таблиц, например, Microsoft Map в Excel и Lotus Maps. Эти приложения доступны любому пользователю электронных таблиц MS Excel и Lotus Notes и дают возможность легко использовать функции тематического картирования — отображения на карте географической информации из своей базы данных. Любой менеджер за десять минут научится изготовлять карты, нужные для подготовки принятия делового решения.
Другой простой инструмент, но достаточно функциональный инструмент — Business Map. Он предназначен для пользователей, которым нужно больше, чем просто тематическое картирование. Business Map работает с данными наиболее популярных электронных таблиц и баз данных и поддерживает такие возможности анализа в области бизнеса и управления, как, например, пространственные запросы, управление отображаемым составом карты, определение и связывание координат, почтовых индексов и адресов реальных объектов. К этой же категории относятся и средства просмотра цифровых карт (Viewer Facilities). Для примера, можно привести Geomedia Viewer от Intergraph или бесплатный (Free) ArcExplorer, позволяющий просматривать и запрашивать данные ArcInfo, ArcView и SDE, в том числе и через Internet.
Существенным фактором, ограничивающим широкое использование более сложных ГИС в деловых задачах, является относительная трудность изучения программного обеспечения. Для устранения этого препятствие разработаны развитые пользовательские интерфейсы, дающие обычному пользователю мощные и понятные средства географического анализа.
Настольные компьютерные системы и встроенные ГИС-пакеты. В первой половине 1990-х годов рост продаж ГИС был в немалой степени обусловлен спросом именно на настольные и встроенные ГИС. И если первые системы настольного картографирования (Desktop Mapping) имели ограниченные возможности работы с географическими данными, то современные ГИС, "поставленные" на персональный компьютер или встроенные в состав другого программного средства, предлагает полный набор средств для анализа и управления данными.
К таким продуктам относятся: ArcView, Maplnfo, GeoMedia, GeoGraph/GeoDraw, которые имеют функциональные возможности современных СУБД и предоставляют средства для анализа, интеграции и отображения географических данных. Программный пакет типа ArcView можно, например, использовать для привязки пространственных данных (с помощью спутниковой системы позиционирования GPS или ГЛОНАСС), импортировать данные из других источников (картографические данные и информацию из государственных или корпоративных баз данных), выполнять комплексные статистические и модельные исследования, строить варианты сценариев развития ситуаций, производить в режиме On Line обработку полевых данных, полученных при геодезических съемках местности с лазерными теодолитами.
Рассмотрим кратко две наиболее типичные ГИС этого класса — ArcView и MapInfo.
ArcView имеет средства для выбора, просмотра и редактирования разнообразных географических данных, создания макетов и шаблонов карт с легендами, графиками и диаграммами, оцифровки карт с помощью сканера, связывания объектов карты с атрибутивной информацией в режиме Hot Link (с архивами изображений, полученных мультимедиа-средствами), адресного кодирования, распечатки картографических материалов.
ArcView напрямую работает со многими форматами данных, обеспечивает доступ к стандартным СУБД (Ingres, Sybase, Oracle, Informix), читает файлы форматов DXF и DWG, а также включает следующие функции: вызова удаленных процедур RPC (Unix), связи с другими приложениями через протокол DDE (Windows), подключения приложений на Visual Basic. Имеется также ряд стандартных приложений ArcView для инженерных изысканий, взаимодействия с GPS, SAP R3, представления данных в Internet.
Программный продукт MapInfo Professional (http://www.esti-map.ru) в настоящее время является одним из реальных лидеров ГИС в области цифрового картографирования. В дополнение к традиционным функциям для СУБД такого типа MapInfo позволяет собирать, хранить, отображать, редактировать и обрабатывать картографические данные с учетом пространственных и временных отношений объектов. В одном сеансе работы одновременно могут использоваться данные разных форматов. Источники данных могут быть:
- таблицы собственных баз данных MapInfo;
- данные в обменных векторных форматах САПР (для встроенных ГИС-приложений) и различных геоинформационных систем: AutoCAD (DXF, DWG), Intergraph/MicroStation Design, ESRI Shape, ARC/INFO Export,
- растровые карты в форматах GIF, JPEG, TIFF, PCX, BMP, PSD, ECW, BIL и GRID (GRA, GRD);
- данные, полученные с помощью GPS, ГЛОНАСС, электронных геодезических приборов (лазерные теодолиты и дальномеры);
- файлы Excel, Access, xBASE, Lotus 1-2-3 и текстовые файлы, в которых кроме атрибутивной (описательной) информации могут храниться географические координаты точечных объектов.
ГИС MapInfo может выступать в роли "картографического клиента" при работе с такими распространенными СУБД, как Oracle и DB2, так как поддерживает эффективный механизм взаимодействия с ними через протокол ODBC. Более того, доступ к данным из СУБД Oracle возможен и через внутренний интерфейс (OCI) этой базы данных.
В MapInfo есть "географическое" расширение встроенного языка запросов SQL, которое позволяет организовывать выборки с учетом пространственных отношений объектов — распределенность, вложенность, перекрытия, пересечения площадей объектов. Запросы к БД можно сохранять в виде шаблонов для дальнейшего использования. В MapInfo есть также возможность поиска и нанесения объектов на карту по координатам, адресу или системе различных установленных индексов.
Взаимодействие между Windows-приложениями позволяет интегрировать окно "Карты" MapInfo в программы, написанные на языках Delphi, Visual Basic, C++. Совместное использование MapInfo и среды разработки MapBasic дает возможность каждому пользователю создавать специфические приложения для решения конкретных прикладных задач.
Полнофункциональные системы. Полнофункциональные программные продукты берут начало из крупных государственных проектов 60-х и 70-х годов, которые реализовывались на крупных ЭВМ (Mainframe). Они использовались, в основном, аналитиками и специалистами по зарождающейся геоинформатике и были инструментом поддержки уникальных и специализированных исследований. Такими ГИС могли пользоваться лишь квалифицированные специалисты, понимающие и в программном обеспечении, и в принципах географии, и в проблемах конкретной прикладной области.
Сегодня положение изменилось — современные ГИС-инструменты реализуют методы геоинформатики, используя мощные программно-аппаратные средства: географические Web-серверы открытого доступа, инструменты сложного многофакторного пространственного анализа, устройства для формирования точнейших электронных и подготовки высококачественных бумажных карт.
Полнофункциональные ГИС содержат полный набор средств геопространственной обработки, включая сбор данных, их интеграцию, хранение, автоматическую обработку, редактирование, создание и поддержку топологии, пространственный анализ, связь с СУБД, визуализацию и создание твердых копий любой картографической информации. Система работает как на рабочих станциях под управлением Windows NT, так и RISC-Unix. В дополнение к базовому набору ArcInfo имеется ряд модулей, расширяющих возможности обработки геоданных в различных областях применения.
Корпоративные системы. Корпоративная ГИС — это, как правило, распределенная ИС с рабочими местами, выполненными по технологии "клиент-сервер". ГИС в рамках предприятия может быть реализована с использованием серверов пространственных данных Spatial Database Engine (SDE), работающих с клиентскими приложениями типа настольных приложений ArcView и ArcInfo. Такие ГИС позволяют оперировать огромными объемами географических и атрибутивных данных и поставлять эти данные любому пользователю локальной или глобальной сети. Кроме того, поскольку серверы пространственных данных обычно реализованы в стандартных реляционных СУБД, они переносятся в большинство сред баз данных. Тем самым, инструменты, подобные SDE и встроенные в КИС могут использоваться, чтобы:
- строить быстродействующие ГИС-приложения;
- включать сложные функции обработки географических данных в прикладные программы;
- поставлять прикладные программы на целом ряде платформ программного обеспечения и оборудования;
- увеличивать доступность географических и атрибутивных данных и возможность их обработки и интерпретации для принятия деловых решений;
- интегрировать управление географическими данными в существующие корпоративные системы управления базами данных.
Такие приложения наиболее важны для компаний, которые управляют большими инфраструктурами или инженерными коммуникациями (например, сетями энергоснабжения), работают в сфере транспорта и перевозок или занимаются разработкой природных ресурсов — ведущие нефтяные и газовые компании повсеместно используют ГИС, чтобы управлять изысканиями, производством и распределением ресурсов.
ГИС корпоративного типа тесно связана с рядом других типов информационных систем — с системами автоматического проектирования (Computer Aided Design — CAD), модулями систем управления деятельностью предприятия (Enterprise Resource Planning — ERP), системами управления перевозками и поставками (Logistic and Supply Chain Management — LSCM). Ее основное отличие заключается в способности, собирать, обрабатывать, манипулировать пространственными данными и проводить квалифицированный анализ.
Широкую известность в кругах специалистов в области геоинформатики, приобрела свободно распространяемая под лицензией GNU Public License геоинформационная система GRASS — Geographic Resources Analysis Support System разработка, модернизация и техническое сопровождение которой, ведется международной командой разработчиков. В текущей версии GRASS представляет собой модульную многофункциональную геоинформационную систему универсального применения [http://grass.itc.it/].
На интерфейс системы накладывает определенный отпечаток изначальная ориентация GRASS на Unix-системы, охарактеризовать примененное решение можно как сочетание командного и оконного интерфейсов. Причем общая концепция интерфейса угадывается в версиях под различные платформы. Помимо стандартного графического интерфейса пользователя возможно применение различных оболочек GUI, например, широко известная оболочка QGIS для ядра GRASS. Существует также Java-версия системы GRASS — JAVAGRASS, которая обеспечивает уникальную межплатформенность. Всё это обеспечило успех и широкую применимость этой геоинформационной системы.
Связанные технологии: GIS, GPS и ГЛОНАСС
Системы управления базами данных ГИС предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные. Эти данные получены чаще всего методами пространственного дистанционного зондирования — проведения измерений координат объектов на земной поверхности с использованием лазерных дальномеров на земных пунктах наблюдения и отражателей, расположенных борту искусственных спутников Земли (ИСЗ). Используются также приемники системы глобального позиционирования и другие радиометрические устройства, работающие на измерении эффекта Доплера. Эти устройства собирают данные в виде наборов координат или изображений (преимущественно цифровых) и обеспечивают широкие возможности обработки, анализа и визуализации полученных данных.
Разработки концепции NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) начались в 1973 году по инициативе Министерства обороны США. Самые современные на тот момент радионавигационные системы — наземные Loran-C и Omega и спутниковая Transit — перестали удовлетворять требованиям в отношении точности, всепогодности, круглосуточной работы и зоны охвата. В феврале 1978 года был запущен первый экспериментальный спутник GPS. К середине 1993 года на орбитах находились уже 24 спутника, что было достаточно для обеспечения непрерывной навигации в любой точке Земли. Об окончательном вводе системы в эксплуатацию объявили только в июле 1995 года
Система GPS состоит из трех частей: космической, наземной и пользовательского оборудования.
Космическая часть — это 24 спутника, движущихся по шести орбитам. Наклон орбит к земному экватору — 55 градусов, угол между плоскостями орбит — 60 градусов. Высота орбит 20180 км, период обращения — 12 ч. Мощность спутникового передатчика 50 Вт. Если один из них вышел из строя, то остальные способны, передвигаясь на орбитах, заполнять бреши в системе. Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом, которые задают бортовую шкалу времени. Эти шкалы постоянно синхронизируются с наземными высокоточными стандартами времени. Каждый спутник идентифицируется номером (Pseudo Random Number — PRN), который отображается на приемнике GPS.
Наземная часть состоит из 4 станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию управления и контроля на авиабазе в Колорадо-Спрингс для обработки на сложных программных моделях орбит, которые называются эфемеридами. Через наземные станции данные передаются обратно на спутники, а затем спутник передает их пользовательским приемникам GPS.
Пользовательская часть включает в себя приемник сигналов со спутника, дешифратор и программный модуль для вычисления координат объекта, на котором находится приемник. Точность определения координат зависит от многих факторов — точности передающих и принимающих устройств, бортовых и наземных шкал времени, состояния ионосферы и тропосферы, солнечной активности, влажности и давления в атмосфере, но, прежде всего, от геометрии расположения спутников в поле зрения приёмной антенны (рис. 5.9). Измеряя расстояния (псевдодальности) r1 и r2 дальнометрическими или радиометрическими способами для нескольких спутников и уравнивая их методами спутниковой геодезии, можно получить координаты наземных пунктов слежения и поправки к элементам орбит спутников.
Спутниковая геометрия измеряется фактором PDP (Position Dilution of Precision) Идеальному расположению спутников соответствует PDP=1, большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии. Значение PDP используется как множитель для других ошибок при уравнивании наблюдений. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, отраженного сигнала и т.д. Так, если предполагаемые значения этих ошибок в сумме составляют около 50 метров и PDOP =1.5, то ожидаемая ошибка определения места будет 75 метров. Если приемник "поймал" четыре спутника, и все они находятся близко к зениту места наблюдения, то такая спутниковая геометрия "плохая" и ошибка результата составит 90-150 метров. С теми же 4-мя спутниками точность намного возрастает, если они расположены равномерно по сторонам горизонта на высоте от 20 до 50 градусов дуги. В этом случае точность достигает 30 метров, что составляет примерно 1 секунду дуги — а это уже неплохая точность.
Современные стационарные GPS обеспечивают при обработке пространственных данных в ГИС точность положений до нескольких долей секунды и точность определения расстояний — до нескольких миллиметров. Понятно, что такая точность нужна для научных и оборонных прикладных задач. Авиационные и морские GPS, устанавливаемые на самолетах и судах, обеспечивают точность до 1 метра, для непрофессионального использования в настоящее время вполне хватает точности в несколько метров. Такие GPS- устройства монтируются в мобильные телефоны, в системы автомобильной навигации и т.д. Окончательная погрешность работы системы {GPS — GIS — электронная карта} будет зависеть от точности каждого элемента системы. Нелишне будет упомянуть, что координатные системы карт — такие как, например, Map Datum — связаны с разными моделями земного эллипсоида, используемыми при построении карт в различных странах. Разница между ними может достигать 500 м. При работе с GPS и электронной картой пользователь должен учитывать это и делать соответствующие поправки.
В России в настоящее время развертывается глобальная навигационная спутниковой система (ГЛОНАСС), аналогичная американской GPS и работающая на тех же принципах. Разница состоит в системах кодирования и дешифровки сигналов и в алгоритмах обработки пространственных данных.