Из материалов международной конференции " Интеркарто - 6 " ( г. Апатиты, 22-24 августа 2000 г.).

Широкова С.Л.
Институт водных и экологических проблем
Сибирского отделения Российской Академии наук
e-mail: shirok@iwep.secna.ru

Abstract. The history of geoinformatics establishment and development on the basis of cartography and informatics integration is discussed. Emphasis is placed on the up-to-date trends of geoinformatics development, the role and place of geoinformatical technologies under environmental problems solution as well as on practical elaborations carried out in IWEP, SB RAS.

В методологии создания ГИС к настоящему времени уже накоплен достаточный набор теоретических положений. Однако, во-первых, бурное развитие инструментальных программных средств, главным образом зарубежного производства, отодвинуло важность этих положений на второй план, уступив место появившемуся у многих мнению о возможности простого и быстрого создания ГИС-приложений. Во-вторых, стал заметно ощутимым пробел в развитии этих положений для такой представительной прикладной области как экология и, в частности, природопользование.

В связи с этим нами была поставлена задача развития некоторых методологических аспектов геоинформатики и компьютерной картографии и их приложения к решению различных проблем в области природопользования и охраны окружающей среды на региональном уровне. Позиция автора изложена в ряде публикаций (в частности, [7-10]) и приводится, в определенной мере фрагментарно, в настоящей статье.

Любая наука со временем развивается двумя путями: экстенсивным и интенсивным [1]. Экстенсивный путь предполагает приобретение новых знаний за счет накопления эмпирического материала, являющегося основой для объяснения новых классов явлений. Если же теория становится узка по сравнению с эмпирическим материалом, то возникает кризис в науке, который разрешается построением новой теоретической концепции и выходом науки на интенсивный путь развития.

Подобным изменениям в процессе своего развития были подвержены и картография, и информатика. Мы не ставим своей целью дать подробный анализ их становления и развития. На наш взгляд, представляет интерес общая тенденция развития и интеграции этих двух научных направлений.

Историю развития картографии можно проследить на протяжении двух тысячелетий [1]. Начиная от простого накопления эмпирического материала, картография в XVIII веке впервые выделилась как самостоятельная наука. Определился ее предмет - математически строгое отображение сферической поверхности планеты на плоскость карты. Основным методом исследования становится съемка. Формируется теория картографических проекций.

В начале XIX века после возникновения геодезии задачи картографии сузились до геометрической регистрации территории, а сама картография перешла преимущественно в военные ведомства, превратившись по существу в хорошо отлаженный технологический процесс организации и проведения съемок местности.

Со временем география стала широко использовать карты как средство для количественного пространственного анализа природных и экономических явлений. Появились новые определения картографии, ориентированные на использование карт в рамках теории моделирования, теории познания и в практических целях.

Появление новых возможностей, открываемых в смежных науках (теории информации, дистанционного зондирования земли, автоматизированного управления), потребовало нового понимания роли карты в познании природы и общества. После выхода в свет работ И.П. Герасимова по конструктивной географии и В.Б. Сочавы по прикладной географии усиливается ориентация географии на связь с хозяйственной деятельностью. Проблемы, возникшие при переходе географии к реализации конструктивно-прикладной функции, привели к активизации научных исследований по их решению. Эти исследования стали рассматриваться как самостоятельное направление в географии, получившее название геоинформатики. Началось строительство теоретического здания геоинформатики, которое еще далеко от завершения.

История развития информатики непосредственным образом связана с результатами развития вычислительной техники. Стремительные изменения элементно-технологической базы сопровождались появлением новых идей по структуре вычислительных машин, организации использования и эксплуатации вычислительных систем, развитию языков и систем программирования. Возрастающие объемы информации обусловили появление новых тесно взаимосвязанных ветвей науки - теории информации, теории больших систем и системного анализа, теории управления и кибернетики, моделирования, искусственного интеллекта.

Успехи в развитии технической базы, а также программного обеспечения обработки и представления данных, в частности, графической их составляющей, послужили в 80-е годы основой для бурного развития средств компьютерного картографирования. Решаемые в информатике задачи с пространственными отношениями объектов, связываемых на уровне атрибутивных данных и отображаемых примитивным способом на графических схемах, получили новые возможности использования объединенных методов информатики и автоматизированной картографии. Появилась возможность детализации географических аспектов территории с непосредственной привязкой к ней пространственно распределенной информации, что привело не только к графической эстетичности и привлекательности систем для пользователей, но и новым возможностям картографического моделирования и отображения процессов и явлений.

Таким образом, информатика вышла на направление геоинформатики в областях, ограниченных географическими приложениями. Столкнувшись как научные направления, информатика в широком смысле, геоинформатика и автоматизированная картография начали искать точки соприкосновения и пути интеграции в развитии своих теорий, предметов, методов и инструментов исследования.
Оказываясь единодушными в поисках путей интеграции картографии и информатики, специалисты «от картографии» и «от информатики» вносят соответствующие оттенки в развитие теории геоинформатики.

Как отмечают специалисты по картографии, к началу 80-х годов в картографии четко оформились две теоретические парадигмы [2].

Модельно-познавательная парадигма трактует картографию как науку о познании окружающего мира посредством картографического моделирования и сами карты рассматривает как образно-знаковые модели действительности. В центр научных исследований были поставлены системный подход, системное моделирование природных и социально-экономических систем, методы использования карт и математико-картографическое моделирование.

Коммуникативная парадигма рассматривает картографию как науку о передаче графической информации, особую отрасль информатики, а карту - как своеобразный информационный канал, средство коммуникации. В соответствии с этим основное внимание концентрируется на знаках и знаковых системах, особенностях восприятия картографической информации потребителем, на теории и технике передачи информации.

Говоря об интеграции этих парадигм в рамках новой геоинформационной концепции, А.М. Берлянт представляет картографию как науку о системном информационном моделировании и познании геосистем. Этот вид моделирования реализуется на базе географических информационных систем, а карты трактуются как некие информационные слои в цифровой или графической форме. Развитие картографии на базе ГИС-технологий привело к формированию новых понятий «геоинформационного картографирования» и «геоиконики». Перспективные тенденции в развитии теории картографии представляются А.М. Берлянтом в дальнейшем сближении модельно-познавательной и коммуникативной концепций, формировании интегральной геоинформационной концепции, в которой заметное место займет общая теория геоизображений.

Ближе к сторонникам коммуникативной концепции находится точка зрения многих авторов, рассматривающих картографию как частный случай отражения действительности, как один из языков общества [3, 4]. Карта здесь рассматривается как модель главным образом пространственно-временных отношений на или относительно поверхности планеты. Эта модель может выполнять несколько функций, характерных только или преимущественно для карты. Она рассчитана на использование в основном зрительного канала и использует один из естественных языков человечества, который стали называть языком карт. Кроме конкретных функций, выполняемых картами (измерение пространственно-временных характеристик, ускоренная передача информации, решение задач графическими построениями, упорядочение, сжатие и хранение информации), картографическая деятельность в целом способствует развитию пространственного мышления.

Сторонники направления, развиваемого «от информатики», к которому относит себя и автор данной статьи, исходят из следующего. Во-первых, доля географической информации, получаемой географами, в том числе путем натурных полевых измерений и описаний, намного меньше информации, используемой для решения современных комплексных задач, характеризующихся взаимодействием и взаимосвязями не только географических, но экономических и социальных объектов. Во-вторых, расширение области применения компьютеров определяет необходимость идти по пути решения более общей задачи развития информационных систем пространственно распределенных данных, не ограниченной определением географической информации. В этом случае география потесняется другими прикладными отраслями. Примерами можно назвать системы инженерных сетей, градостроительной деятельности, энергетики, медицины, бизнеса и др.

Начиная с середины 80-х годов мы выделяем три этапа в создании и использовании геоинформационных технологий при решении экологических задач [6].

Основные шаги и результаты первого этапа сводились в основном к созданию узкоспециализированных баз экологических данных инвентарного типа и соответствующих систем их обработки для решения задач экологического мониторинга, экологической экспертизы проектов и др. Это были ГИС первого поколения с примитивными графическими средствами и отсутствием цифровых картографических материалов, что объяснялось прежде всего чисто техническими причинами: неразвитостью периферийных устройств, критичностью вычислительных ресурсов по отношению к объемам данных и времени исполнения задач. Соответственно и инструментальные программные средства не отличались мощностью своих функциональных возможностей.

На втором этапе параллельно с развитием средств информатики и независимо от них развивались цифровые методы картографирования. Были отработаны две формы представления данных (растровые и векторные структуры), появились операции манипулирования пространственными данными. Структурная и функциональная близость информационного и картографического направлений, единство их интересов и областей применения создали предпосылки их будущей интеграции в виде геоинформационных систем. Однако у многих исследователей и практиков это породило «картоцентрический» взгляд на геоинформатику, сводя ее функции в основном к картосоставительскому процессу.

Современные тенденции в развитии ГИС ведут к интеграции геоинформационных технологий со средствами традиционной обработки и анализа информации, включающими статистический анализ, математическое моделирование, экспертные оценки. В последнее время рынок геоинформационных технологий развивается на платформе «открытых систем» - систем, состоящих из компонентов, взаимодействующих друг с другом через стандартные интерфейсы. Реализация этой идеи дает хорошую возможность максимального сохранения имеющихся информационных наработок и подключения к ним современных ГИС-средств при большой степени свободы выбора инструментальных решений. С точки зрения открытых систем решение прикладной задачи рассматривается нами как обеспечение единой сквозной технологии представления, хранения и обработки атрибутивных и пространственных данных - картографических и графических. Тогда термин «геоинформатика» следует употреблять в той части проектирования открытых систем, которая обеспечивает технологию пространственной обработки данных.

Необходимость анализа пространственных данных встречается практически в любой задаче оценки и управления, будь то выделение земельного участка, определение воздействия на окружающую среду промышленного предприятия или решение о строительстве нового объекта. В этом смысле понятие «географические информационные системы» мы отождествляем с понятием «пространственные информационные системы». Тогда более корректно, на наш взгляд, говорить об информационных системах и технологиях вообще и об информационных системах с использованием геоинформационных технологий в частности (т.е. о ГИС в распространенной сегодня терминологии).

Говоря о ГИС, обычно следует уточнять, о чем именно идет речь.

Ї Информационные технологии (в общем случае) - это совокупность информационных процедур и операций, выполняемых в определенной последовательности и определяющих процесс преобразования некоторой исходной информации в информационный продукт.

Ї Инструментальные ГИС - это программные средства общего назначения, выполняющие различные сервисные функции для создания пользовательских ГИС-приложений.

Ї ГИС-технологии - это информационные технологии, обеспечивающие организацию и преобразование пространственно-определенных данных с использованием инструментальных ГИС и автоматизированных средств получения и обработки данных.

Ї Прикладные ГИС (проблемно-ориентированные ГИС, ГИС-приложения) - это средства решения конкретных задач, определяемых требованиями проблемной области.

Методика создания прикладных ГИС проблемно зависима, т.е. на ее положения оказывает существенное влияние специфика проблемной области.

Так, основой ГИС для решения региональных экологических проблем в общем случае является информационно-логическая (инфологическая) модель, отражающая состав, взаимодействие и функционирование различных уровней пространственно-временной иерархии всей совокупности процессов в системе (природно-ресурсных, производственно-технологических, социально-экономических и др.). В результате соединения такой модели и технологических геоинформационных средств строятся конкретные схемы ГИС для решения как частных экологических задач, так и комплексных региональных проблем (оценка изменения состояния природной среды, уровня безопасности и риска для здоровья населения, прогнозирование экологических последствий антропогенных воздействий на окружающую среду и др.).

Эти задачи исследований составляют прикладную часть логической структуры ГИС экологической направленности, которая зачастую глубоко индивидуальна и не всегда поддается унификации. Инструментальные программные средства для сбора, хранения, обработки, представления информации при решении прикладных задач составляют системную часть ГИС, в основе которой лежит вполне определенный набор сервисных функций системы. Эти функции имеют, как уже указывалось, унифицированный характер, достаточно универсальны и независимы от приложений, но конкретным приложениям должны соответствовать адекватные технологические маршруты и схемы внутри сервисной операционной среды.

По нашему определению, основной смысл геоинформационного обеспечения решения экологических задач состоит в соединении в единую комплексную систему средств сбора и хранения данных, методов их обработки, моделей природных объектов, компьютерных средств реализации алгоритмов и моделей с широким спектром сервисного обеспечения при различных видах визуализации результирующей информации.

Можно отметить два подхода к созданию прикладных ГИС [5].

При первым подходе прикладная ГИС рассматривается как средство накопления, хранения, отображения данных для фактографического и справочно-аналитического обслуживания. В этом случае создаются хранилища исходных данных в виде показателей состояния исследуемых объектов и хранилища результатов завершенных исследований в виде таблиц, графиков, карт, текстов описания. При этом набор методов и средств работы с данными определяется практически независимо от потребностей их будущего использования, а подстраивается под технологии, изначально не ориентированные на проблемные нужды (например, по аналогии с библиотечными системами).

Второй подход рассматривает прикладные ГИС как средство обработки данных для получения новых знаний, при котором накопление, хранение, отображение играют вспомогательную роль. В этом случае ГИС рассматривается как средство для решения задач, регламентированных инструктивными и методическими требованиями и документами конкретных научных направлений исследований. Такие средства должны находиться непосредственно в организациях и у пользователей, ведущих исследования, а вопрос о создании баз данных решается с позиций будущей обработки данных.
Обе точки зрения оправданно существуют и порождают сложности согласования и взаимодействия. Конструктивные элементы этого согласования касаются прежде всего разработчиков прикладных и инструментальных ГИС. С точки же зрения пользователей речь идет о прикладных программных системах, которые, обладая обычными для инструментальных ГИС возможностями оперирования пространственными данными, имеют также средства решения собственно прикладных задач по комплексу имеющихся данных.

В ИВЭП СО РАН в течение ряда лет под руководством автора выполняются работы по внедрению ГИС-технологий в практику научных исследований и созданию ГИС-приложений экологической направленности. Работы ведутся в направлении формирования теоретических и методических основ ГИС, создания и внедрения ГИС-технологий, разработки прикладных ГИС, создания общего информационного пространства, реализации информационных разделов в комплексных интеграционных программах и проектах.

Разработки ИВЭП СО РАН в области ГИС-технологий включают набор технологически взаимосвязанных информационно-программных компонентов (фирменных и собственной разработки), обеспечивающих полное функциональное покрытие сервисных процедур накопления, обработки и отображения данных по следующим направлениям:

Ї тематические базы данных: проектирование, заполнение и ведение семантических баз данных; привязка семантической информации к графическим объектам карт (схем); двусторонний обмен информацией между семантическими и картографическими данными; формирование запросов и поиск семантической информации как в автономном режиме, так и с идентификацией объектов графической карты с возможностью получения информации об этих объектах; запуск математических моделей для расчета и анализа данных на основе информации, хранящейся в графической и семантической базах; получение отчетов в табличном, текстовом и графическом видах;

Ї автоматизированное картографирование: сканирование карт, схем и планов различного масштабного ряда; обработка растровых изображений; интерактивная векторизация растровых изображений; формирование цифровых моделей топографических и тематических карт; создание цифровых моделей рельефа; привязка семантической информации к графическим объектам карт; формирование запросов и выдача информации, основанной на операциях пространственного анализа; формирование и выдача информации об элементах картографической основы на экране монитора и в виде твердой копии;

Ї обработка данных дистанционного зондирования: дешифрирование и автоматическая классификация цифровых аэро- и космических изображений; создание и обновление тематических и топографических карт по цифровым снимкам; построение трехмерного изображения местности и интерактивная навигация по трехмерному изображению (интерактивное задание маршрута пролета над местностью); проведение ретроспективного тематического анализа с помощью анимации;

Ї распределенные сетевые системы: создание распределенных проблемно-ориентированных ГИС; разработка и адаптация сетевых геоинформационных технологий; разработка распределенных баз данных и программных средств и технологий их обработки;

Ї организация работы пользователей в локальных вычислительных сетях и в сети Internet.

Работы по созданию проблемно-ориентированных ГИС ведутся по направлениям: анализ загрязненности атмосферы территорий Алтайского края от выбросов промышленных предприятий, автотранспорта и частного сектора; комплексные бассейновые ГИС (ГИС бассейнов рек Обь, Томь, Алей и др.); оценка состояния лесных ресурсов региона; оценка влияния состояния окружающей среды на здоровье населения; региональная система экологического мониторинга; инженерные муниципальные ГИС; электронные цифровые атласы.

Системы находятся в разной степени разработки и готовности к внедрению и эксплуатации - это концептуальные структуры, принципиальные конструкторские решения, развернутые технические задания на проектирование, технорабочие проекты, семантические и картографические базы данных, программы обработки данных различного тематического направления, информационно-справочные системы для пользователей, информационно-моделирующие системы. Системы разрабатываются для специалистов природоохранных, муниципальных и отраслевых ведомственных служб управления, а также для проведения различных научных исследований по проблемам анализа, оценки и прогноза экологического состояния территорий.

Используемое программное обеспечение: Arc/Info, Arc/View, MapInfo, Delphi, C++Builder, ERDAS, векторизаторы Track, Vectory, EasyTrase, собственные инструментальные средства пространственной организации и анализа данных.

Характерным примером интеграции систем автоматизированного картографирования и специализированных информационных систем обработки является выполняемая нами в настоящее время разработка графической информационной системы контроля состояния и эксплуатации электрических сетей Алтайского края. Принятые в системе конструкторские решения основываются на использовании различных инструментальных программных средств и их целевой технологической увязки, что обеспечивает комплексную обработку и интерпретацию данных. Включенные в систему информационные технологии обеспечивают:

Ї создание «пирамидальной» системы цифровых картографических основ различных масштабов (от 1 : 1 000 000 до 1 : 500): схема электрических сетей Алтайского края, топографические карты административных районов, топографические карты населенных пунктов, топографические планы участков линий связи (подсистема автоматизированного картографирования);

Ї поддержку графических схем объектов электрических сетей (подсистема автоматизированного проектирования);

Ї поддержку параметров состояния объектов электрических сетей (подсистема управления базами данных);

Ї интерфейс пользователя для работы с картографическими, графическими и текстовыми объектами (информационно-справочная и информационно-картографическая подсистемы);

Ї решение функциональных задач диспетчерского типа по контролю состояния и эксплуатации электрических сетей (подсистема моделирования инженерных сетей, подсистема автоматизированных рабочих мест интерпретации и анализа данных);

Ї решение задач учета и контроля использования электроэнергии потребителями (подсистема традиционной обработки данных);

Ї распределенную организацию данных (связь с системой телеметрии, реализация в системе региональной вычислительной сети).

В заключение хотелось бы отметить, что приступая к созданию и внедрению прикладной ГИС, разработчик системы должен ориентироваться в современных тенденциях развития и использования информационных технологий, конструктивно оценивать имеющийся программный инструментарий и выбирать программные продукты и технологии, исходя из четко выработанных для себя критериев.

Литература

1. Свентэк Ю.В. Научный метод познания в картографии // Картография на рубеже тысячелетий: Докл. I Всеросс. научн. конф. по картографии (Москва, 7-10 октября). - М., 1997. - С. 85-94.
2. Берлянт А.М. Интеграция картографии и геоинформатики: тенденции 90-х годов // Геодезия и картография. - 1991. - №7. - С. 31-36.
3. Аржанов Е.П. О теме «Человечество и картография» // Картография на рубеже тысячелетий: Доклады I Всерос. научной конференции по картографии (Москва, 7-10 октября 1997 г.). - М., 1997. - С. 150-156.
4. Семенов В.И. Структурные элементы ГИС и автоматизированных картографических систем // Геодезия и картография. - 1991. - №7. - С. 36.
5. Белобородов М.А. ГИС-технологии в региональных геологических исследованиях // Геоинформатика в нефтегазовой отрасли. ГИС-ассоциация. - М., 1998. - С. 122-123.
6. Широкова С.Л. Информационные технологии в решении экологических проблем // Сибирский экологический журнал. - 1997. - Т. 4. - С. 229-234.
7. Широкова С.Л. Информационные аспекты создания региональной системы экологического мониторинга // Экология и экономика: региональные проблемы перехода к устойчивому развитию. Взгляд в XXI век: Материалы Всерос. научно-практич. конфер. Кемерово, 1997. - Т. 2. - С. 90-95.
8. Широкова С.Л. Геоинформационные технологии в системах управления природопользованием и охраной окружающей среды // Информационные технологии в управлении и образовании. - Новосибирск: Изд-во СИОТ РАО, 1997. - С. 19-35.
9. Широкова С.Л. ГИС в системах принятия управленческих решений // ГИС для устойчивого развития территорий: Докл. Междунар. конф. Интеркарто-5, Ч. 2. Применение картографии и ГИС в науке и управлении систем. - Якутск, 1999. - С. 77-88.
10. Винокуров Ю.И., Красноярова Б.А., Широкова С.Л. Геоинформационные ресурсы и ГИС-технологии в интересах устойчивого развития // Геоинформационные и геоэкологические исследования в странах СНГ. - М.: ГЕОС, 1999. - С. 40-46.