Геоинформатика. Учебник для студентов вузов

В учебнике освещены общие вопросы геоинформатики, функциональные возможности географических информационных систем (ГИС), принципы проектирования, интеграции данных и технологий, особенности интеллектуализации ГИС и систем поддержки принятия решений. Вместе с учебным пособием «Сборник задач и упражнений по геоинформатике», дополненным компакт-диском, составляет учебный комплект. 

Для студентов экологических, географических, геологических и других специальностей, изучающих и использующих географические информационные системы.

В науках о Земле и обществе, имеющих дело с пространственными данными, сложилась интересная ситуация — информационный «взрыв» соседствует с информационным «голодом». Часть специалистов сетует на ограниченность сведений, что ведет к упрощению описаний, гипотетичности исследований, их некондиционности и т. д., другие, наоборот, не успевают переработать горы материала. Парадокс? Вряд ли, скорее объективная картина стихийно сложившейся реальности. Даже располагая определенными данными, рационально ли мы ими распоряжаемся и используем их? К сожалению, в большинстве случаев нет. Сложно получить сведения об уже накопленных материалах, затруднен обмен и доступ к ним — ведомственные и даже личные барьеры, режимные ограничения и неупорядоченность данных препятствуют рациональному и эффективному использованию информационных ресурсов. 

В настоящее время во многих вузах страны открыты кафедры со специализациями по геоинформатике; экологам, географам, геологам, почвоведам и другим студентам, изучающим дисциплины не только о Земле, но и об обществе, читается курс «Геоинформатика». Более того, стали появляться не только специализированные средние учебные заведения, но даже общеобразовательные школы. В одной из таких школ (№ 8 г. Ханты-Мансийска) создан Межшкольный центр развития геоинформационных технологий. Опубликована серия учебников и учебных пособий (дополняемых рядом монографических изданий, материалов конференций), но, несмотря на это, издания, которое бы охватывало практически все современные аспекты геоинформатики, до настоящего времени в России нет.

Поставленные цели требовали от авторов достаточно систематического изложения материала, причем не только преподавателями, но и практиками, что побудило привлечь к написанию учебника большое количество ведущих специалистов из самых различных областей науки, производства. Для более детального ознакомления с материалом можно обратиться к учебному пособию «Основы геоинформатики» [Е.Г.Капралов, А.В.Кошкарев, В.С.Тикунов и др., 2004 

Учебник состоит из пяти глав. Первая вводит читателя в сферу геоинформатики и начинается с понятия о географических информационных системах (геоинформационных системах, ГИС). Представление о ГИС как об информационных системах, оперирующих пространственно-координированными (пространственными, географическими) данными, уже давно и достаточно прочно вошло в научный обиход. Но логика изложения материала с использованием конкретных примеров позволяет понять технику проектирования ГИС, представить их функциональные возможности и внутреннее устройство, а главное — убедиться в практической целесообразности решения многих практических задач в среде ГИС. Далее изложение следует по установившейся традиции классификации ГИС по разным основаниям, включая пространственный (пространственно-временной) охват, предметную область информационного моделирования, проблемную ориентацию, их структурно-функциональные и прикладные особенности. 

Этих первоначальных сведений о ГИС оказывается достаточно для того, чтобы в следующем подразделе обсудить существо геоинформатики как науки, технологии и индустрии, определить ее предмет и метод, место в системе наук, направления взаимодействия с другими науками и технологиями, подчеркнуть ее роль интегратора всех иных геотехнологий, подробно остановившись на отношениях геоинформатики и картографии как двух самодостаточных, альтернативных и взаимодополняющих средств пространственного моделирования реальности. Теория и методология геоинформатики, еще не вполне сформировавшиеся, в существенной мере покоятся на обобщении и осмыслении эмпирического опыта внедрения геоинформационных технологий в самые разнообразные сферы человеческой деятельности. В этом плане важна краткая характеристика истории становления геоинформатики с ее периодами роста, разочарований, смены приоритетов и формирования теоретической базы, методологии, сфер приложения и т.д. 

Во второй главе изложены функциональные возможности важнейших технологических блоков ГИС. В первом подразделе главы приведены сведения о регистрации, вводе и хранении данных, характеристике средств формирования баз данных, создании систем управления ими. В деятельности, связанной с использованием пространственно-координированных данных, традиционно применяются литературные, статистические, картографические, аэро- и космические материалы. Их подборка, систематизация, накопление, хранение и обработка для последующего использования осуществляются, как правило, в машинной среде. 

Модели пространственных данных — один из ключевых подразделов второй главы. Модель данных — это свод правил, по которым конструируются сложные пространственные объекты из более простых или элементарных, иначе — язык описания пространственных данных. Среди множества моделей (представлений) можно выделить базовые, «канонические», проверенные временем и реализованные в подавляющем большинстве современных программных средств ГИС. Это векторные, растровые, регулярно-ячеистые и квадротомические. Современная практика предлагает множество вариантов канонических моделей, ведутся эксперименты с их многомерными расширениями. Большие перспективы сулит объектноориентированный подход к моделированию пространственных данных. 

Рассмотрены модели аналого-цифрового преобразования данных, состоящие из трех крупных блоков: цифрования, обеспечения качества оцифрованных материалов и интеграции разнородных цифровых материалов. Охарактеризованы базы и банки данных, а также системы управления ими. 

Во втором подразделе представлены операции, связанные с анализом пространственно-временных явлений. Это прежде всего функции организации выбора объектов по тем или иным условиям, функции редактирования структуры и информации в базах данных, функции картографической визуализации, картометрические функции, функции построения буферных зон, анализа наложений, функции сетевого анализа и др. Здесь же кратко рассмотрены многообразные аспекты специализированного анализа, например, ориентированного на вопросы геологии или географии: метод размытых (нечетких) множеств, нейронных сетей, теория хаоса, катастроф, фрактальный анализ. Особое место, ввиду важности для многих наук о Земле, имеющих дело с пространственно-координированными данными, занимают методы классификаций, поэтому они выделены в специальный подраздел. 

К особой группе геомоделирующих функций ГИС также принято относить цифровое моделирование рельефа (ЦМР). Опыт создания и использования ЦМР, наследующий традиции и методики ранних этапов развития геоинформатики и автоматизированной картографии, богат примерами решения разнообразных научных и научно-прикладных задач, в том числе на основе ЦМР национального масштаба. Многоцелевое использование ЦМР основано на функциях их обработки программными средствами ГИС и включает расчет производных морфометрических характеристик (углов наклона и экспозиций склонов), оценку формы склонов, экстракцию из ЦМР сети тальвегов и водоразделов и иных структурных элементов, оценку зон видимости/невидимости, построение трехмерных изображений. Завершает блок материал по математико-картографическому моделированию в рамках информационных технологий. Этот вид моделирования позволяет органически комплексировать математические и картографические модели в системе «создание-использование карт» для конструирования или анализа тематического содержания карт. 

Охарактеризована методика создания элементарных и сложных (цепочкообразных, сетевых и древовидных) математико-картографических моделей. Третий подраздел второй главы касается вывода и документирования результатов обработки данных. Здесь прежде всего рассматриваются методы картографической визуализации. Разумеется, программные средства ГИС — далеко не самый лучший (эффективный, дешевый и удобный) инструмент для производства карт, наследующих принципы и традиции «докомпьютерного» этапа картосоставления и картоиздания. Для этих целей разработаны и с большим успехом применяются автоматизированные картографические системы, системы настольного картографирования и графические редакторы. В данном блоке помещены также материалы о нетрадиционных формах визуализации, в первую очередь об анаморфозах. 

Рассмотрены методы создания линейных, площадных и объемных анаморфоз. Очень важны и наглядны виртуально-реальностные изображения, позволяющие имитировать облеты, объезды территории на виртуальном самолете, вертолете, автомобиле в реальном времени, совершать движения в какой-либо среде (например, погружение под воду с имитацией эффектов освещения и динамики движения) и т.д. Завершают главу анимации карт, анаморфоз и виртуально-реальностные изображения. Анимации развития явлений в пространстве и во времени позволяют отображать процессы их эволюции и др. 

В третьей главе изложены способы интеграции методов дистанционного зондирования и спутникового позиционирования в геоинформационной среде. Охарактеризованы сетевые технологии и комплексные мультимедийные системы в трех ракурсах: как идея, т.е. способ хранения, организации и передачи информации различного типа; как оборудование, которое позволяет работать с информацией различной природы и доставлять ее потребителю и, наконец, как продукт, составленный из данных всевозможных типов, объединенных общей идеей и представляющий интерес для конечного пользователя. Четвертая глава посвящена аспектам интеллектуализации геоинформатики. 

ГИС все чаще стали применяться в качестве инструментария, позволяющего более объективно принимать решения в самых разных областях человеческой деятельности, что привело к интеллектуализации геоинформатики. Геоинформатика стала также средством получения новых знаний в целом ряде наук. Здесь прежде всего рассмотрены экспертные системы и нейросети. Важнейшее практическое приложение методов искусственного интеллекта происходит через формирование систем поддержки принятия решений. Они позволяют обеспечить моделирование альтернативных решений на разных этапах, их анализ и выбор вариантов, удовлетворяющих поставленным условиям.