`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

GIS – это не просто непросто

Статья опубликована в №42 (659) от 4 ноября

+11
голос

Самые масштабные проекты всегда находятся вне областей, где концентрируется внимание масс. Это очевидно – в силу сложности, присущей подобным разработкам (точнее будет сказать – явлениям), они, в зависимости от качества ознакомительных материалов, или кажутся чем-то предельно простым, или, наоборот, сложным. И в результате неинтересным. Попробуем разрушить этот стереотип.

Еще недавно масштабы окружающих нас сложных технических систем, которые мы могли использовать в личных целях и интересах, были ограничены чуть ли не одним кабинетом или машинным залом. И вот медленно, но уверенно в нашей жизни появляется первый доступный артефакт планетарного масштаба – система глобального позиционирования (GPS). И невидимо связанная с ней, часто просто незаметная нелюбопытному пользователю инфраструктура колоссальных масштабов, снабжающая нас информацией об окружающем пространстве – дорогах, городах, улицах, зданиях, водоемах. Мы, пользователи этих систем, только присматриваемся к этим возможностям. Мы ищем нужные адреса, узнаем о состоянии городского трафика, прокладываем маршруты велопрогулок и возвращаемся лодкой с рыбалки через камыши, двигаясь по запомненному GPS-навигатором маршруту. Мы пока только входим во вкус, пробуя очевидные приложения для уже накопленной информации и созданных программных продуктов. Это только первые, робкие шаги. А чтобы шагать и хотя бы не падать, надо видеть, куда идешь. И понимать, с чем имеешь дело. Конечно, невозможно в масштабах пары статей сжато и понятно пересказать те книги, которые никогда не пылятся на полках у профильных специалистов. Но такую наивную задачу мы перед собой и не ставили.

GIS – это не просто непросто
Роджер Томлинсон, инициатор, разработчик и руководитель проекта первой в мире геоинформационной системы

Давайте сразу определимся – мы будем иметь дело с совершенно уникальным явлением, настоящим чудом современной междисциплинарной науки, для самого существования которого требуются колоссальные средства и усилия космических группировок спутников, континентального масштаба систем аэрофотосъемки, флотилий судов, информационные ресурсы, накопленные чуть ли не тысячелетиями человеческой деятельности в самых разных областях науки, лучшие разработки в современных программировании, алгоритмике, прикладной математике, и список этот можно продолжать чуть ли не до бесконечности. Более того, мы живем во время, предшествующее настоящей революции в основе основ географии, в преддверии того, что сейчас громко называется Digital Earth, Цифровой Землей. Именно сейчас возможности развития всех дисциплин соответствуют потребностям географических информационных систем, для обозначения которых мы все же в дальнейшем будем использовать международную аббревиатуру GIS (Geographic Information System). После этого вступления, бравурно-пафосного и потому ничего веселенького и легкого не предвещающего в дальнейшем, перейдем непосредственно к ознакомлению с GIS. И обсуждение этих систем мы начнем с совсем уж неожиданного – с поиска ответа на несколько неожиданный вопрос: «как много того, что греки понимали под словом γέα, остается сегодня в том, что мы называем GIS?». Иными словами, как много специфического для планеты Земля в современной геоинформационной системе (γέα – гео – планета Земля, основа слова география)? По традиции мы не забудем о главном и попытаемся разобраться собственно с... необходимостью и важностью такого несколько странного вопроса.

Как ни странно, но в современных GIS того, что свойственно исключительно специфике планеты Земля, совсем мало. Точнее, всего одна фундаментальная модель, лежащая в основе всех последующих построений. Модель эквипотенциальной поверхности гравитационного поля небесного тела, которое мы называем Землей. Страшное это название объясняется более чем просто – грубо говоря, если взять строительный уровень и бродить с ним по Земле, каким-то образом фиксируя поверхность, в каждой точке заданную положением уровня, получится как раз эта самая эквипотенциальная поверхность (ее еще называют уровенной). Очевидно, что форма этой поверхности определяется распределением масс и плотностей в теле Земли, и так же очевидно, что никому еще не приходило в голову проводить измерения во всех возможных точках Земли. Из этого (и не только, конечно) следует, что точного математического выражения для такой поверхности не существует и можно говорить только о некотором приближенном ее описании. Для такого приближения в 1871 г. немецкий математик Иоганн Бенедикт Листинг, отец топологии, ввел название «геоид». Геоид – крайне непростая фигура, описываемая весьма специфическими бесконечными рядами. Минимальная точность представления геоида – шар, с ростом точности получается эллипсоид вращения, а дальше – не имеющие названия геометрические фигуры. Собственно говоря, аппроксимация геоида, лежащая в основе GIS, и есть то единственное, содержащееся в системе, «сугубо земное». И для того чтобы сделать ее как можно более точной, американским ученым, например, к 2003 г. пришлось провести измерения гравитационного поля Земли более чем в 2,6 млн точек как на суше, так и на море ( модель геоида USGG2003 в рамках этого масштабного проекта она постоянно совершенствуется). В GIS постсоветских государств, унаследовавших картографию от СССР (а это, мягко говоря, очень недешевое наследство), в качестве модели эквипотенциальной поверхности гравитационного поля Земли используется эллипсоид Красовского. Следует упомянуть и «всемирный» эталонный эллипсоид, заданный мировой геодезической системой WGS 84. Кстати, с этими понятиями непременно встретится любой серьезный пользователь GPS-навигатора.

GIS – это не просто непросто
Джек Дангермонд, основатель ESRI

Теперь можно смело говорить об одной важной детали – если в GIS изменить модель эквипотенциальной поверхности гравитационного поля небесного тела на соответствующую другой планете, то практически все остальные алгоритмы, техники, приемы и идеи можно будет использовать в полной мере. Именно поэтому мы так смело сказали о предреволюционном характере нашего времени – ведь на наших глазах формируется система уже, если так можно сказать, «надпланетарного» масштаба. А с подобными системами люди встречаются нечасто – по сути, за всю историю человечества только первое поколение начинает использовать первую систему планетарного масштаба – GPS. Так что и в важности вопроса, и в небесполезности поиска ответа на него можно не сомневаться.

Теперь, когда мы разобрались (с допустимой для нашего издания степенью детализации), что же именно «гео» в геоинформационных системах, самое время дать им лаконичное, точное и исчерпывающее определение. Которого, очевидно, не существует (кому не очевидно – очень трудно давать лаконичные, точные и исчерпывающие определения для таких сложных систем подобных масштабов). Впрочем, если обратиться к немногочисленным тематическим энциклопедиям GIS, можно сформировать следующее собирательное описание. GIS – это прикладная технология решения задач, позволяющая с помощью надежных, доказуемо верных и применимых в реальных ситуациях механизмов понимания окружающего мира формировать и распространять новые знания о нем. Важнейшим свойством этой технологии является планетарный масштаб ее применимости, а из множества составляющих, ее образующих, можно выделить программные продукты, которые реализуют требуемую в прикладной области алгоритмику, способы цифрового представления данных о различных аспектах окружающего нас мира, сообщества людей, использующих указанные программы и данные для достижения различных целей, а также деятельность, направленную на решение специфических для GIS задач. В силу масштабности и латентной сложности специфических механизмов большинство реально работающих GIS-проектов относятся к так называемым фоновым системам, к косвенным услугам которых масса людей прибегает чуть ли не ежедневно.

Датум, системы координат, проекции

C очевидно существующей разницей между геоидом и аппроксимирующим его эллипсоидом связано важнейшее понятие датума. По сути, датум – это набор из эллипсоида и его положения по отношению к идеальному геоиду (для описания этого положения используется специальная система координат). Так как эллипсоид только приближенно – геоид, его как бы доворачивают, сдвигают и немного масштабируют так, чтобы в интересующей области поверхности Земли точность аппроксимации была как можно выше. То есть конкретный датум может задаваться эллипсоидом и, например, координатами определенных общеизвестных точек, которые для каждого датума будут отличаться.

Системы координат и проекции – сегодня уже можно говорить, что эти понятия больше связаны с эволюцией развития картографии, чем с реалиями GIS. В принципе, непосредственно к GIS можно отнести разве что так называемые геодезические координаты, описывающие положение на эллипсоиде. Прочие системы координат и механизмы проецирования поверхности эллипсоида на плоскость листа карты (картографические проекции) – это терминология сегодняшнего дня, постепенно становящаяся терминологией дня вчерашнего. Кому-то это утверждение может показаться слишком смелым. Но. Возможности трехмерного проектирования, например, только раскрываются, и уже есть технические системы колоссальной сложности, спроектированные исключительно с помощью новых технологий. И никаких принципиальных ограничений для «полной и окончательной победы» полноценных трехмерных GIS не наблюдается. Наоборот, развитие методов геодезических измерений, доступность сервисов планетарного уровня (GPS) и рост производительности вычислителей с одновременным снижением их стоимости уверенно свидетельствуют в пользу того, что как в истории геодезии одни картографические проекции и модели Земли устаревали, переставая соответствовать растущим требованиям, так и со временем вообще устареет концепция карты как плоской модели трехмерного мира. А с ней и все сопутствующие понятия. Огромные инвестиции развитых стран в SDI убеждают – это непременно случится.

История

История GIS коротка. Пальма первенства в создании реально работающих геоинформационных систем принадлежит Канаде. Именно там в начале 60-х годов прошлого столетия работавший на федеральные власти английский географ Роджер Томлинсон выступил инициатором, разработчиком и руководителем проекта первой в мире геоинформационной системы CGIS (Canada Geographic Information System), предназначенной для управления земельными ресурсами. Больше того, и сам термин GIS принадлежит Томлинсону. Удивительно, но факт – в жизни всегда есть место для изобретателя, и у надпланетного масштаба систем вполне может быть один доподлинно известный «отец». Еще более удивителен факт, что в процессе формирования и развития сверхмасштабных по сути систем «культ личности» на Томлинсоне не закончился. К концу 60-х годов (точнее, в 1969 г.) Джек Дангермонд и его жена Лаура основали... приватный исследовательский институт. Дангермонд, перенявший увлечение географией от своего друга, известного американского географа Джона Борчерта (более сорока лет преподававшего в Университете штата Миннесота), и увлекшийся компьютерами во время обучения в Гарварде, не испытывал недостатка в предложениях от работодателей, но решил создать собственную самостоятельную научную организацию. Сегодня ее название стало нарицательным в мире GIS. ESRI (Environmental Systems Research Institute, Институт исследования систем окружающей среды) – один из бесспорных лидеров рынка GIS, доля которого оценивается более чем тридцатью процентами. Список пионеров GIS будет неполным без имени Говарда Тейлора Фишера, основателя лаборатории компьютерной графики в Гарвардском университете и разработчика одной из первых аналитических GIS-программ SYMAP, которая использовалась в США более 10 лет в масштабных исследованиях в области здравоохранения и демографических проблем, а также при решении задач городского планирования.

Период первых успехов этих первопроходцев, шестидесятые годы, был также богат важнейшими событиями, имеющими отношение к изучению планеты Земля. Так, в 1961 г. с мыса Канаверал был запущен первый в мире метеорологический спутник TIROS-1, в 1968 г. были получены снимки Земли из глубокого космоса (программа Apollo 8) и впервые спутник будущей системы наблюдения за окружающей средой был успешно выведен на геостационарную орбиту.

В последующие десятилетия технология GIS неспешно развивалась и приходила к нынешнему состоянию, о котором Джек Дангермонд говорил в 2002 г. следующее: «GIS-технология до сих пор находится на начальном этапе развития, и мы только начинаем понимать ее возможные области применения. Она и дальше будет развиваться эволюционным путем и станет тем, чем она есть – одной из самых универсальных и важных технологий нашего мира. Лежащая в ее основе концепция – использования пространственных характеристик, положения для интеграции всей доступной информации о мире – постепенно станет настоящим мостом между научными дисциплинами и организационными структурами».

Пространственные данные

GIS – это не просто непросто
Геоид – крайне непростая фигура, описываемая весьма специфическими бесконечными рядами из 60 000 членов

Несмотря на то что это понятие – ключевое в любой GIS, мы начнем знакомство с ним... продолжением ответа на провокационный вопрос, что именно и в каких количествах от «гео» в геоинформационных системах. Дело в том, что сравнительно недавно (если быть точным, то до 1991 г.) никто не использовал термина «пространственные данные», вместо него были более приземленные «географические данные». Но даже на этом, начальном, по авторитетному мнению Джека Дангермонда, этапе развития GIS уже произошло избавление еще от одного «гео»-зависимого термина. И это также немаловажная деталь – изменения терминологии иногда отражают латентные фундаментальные изменения смыслов, причем бывает и так, что понимание и принятие последних приходит много позже принятия новых терминов.

Пространственные данные – это как будто просто. В том смысле, что имеются в виду данные о пространственных объектах. Потенциально – любых (после такого заявления только что использованное «как будто» приобретает издевательский оттенок). Данные эти, собственно говоря, относятся к двум фундаментальным областям – информации о положении объекта (координатной) и информации о его типе и свойствах (атрибутивной). И вот именно с края такой простоты и открывается вид на настоящую пропасть сложности GIS. Дело в том, что пространственные данные – не только описание структуры данных из какой-нибудь классической книги computer science, а в первую очередь собственно данные, которые откуда-то берутся. То есть это инфраструктура пространственных данных, термин настолько важный, что знание и понимание его необходимо для любой сколь-нибудь серьезной попытки «общения» с геоинформационными системами. SDI (Spatial Data Infrastructure), инфраструктура пространственных данных (мы не выдумываем «локальных» аббревиатур и впредь будем использовать SDI) – это материальные ресурсы и материалы, технологии и людские ресурсы, необходимые для получения, сбора, обработки и распространения географической информации из всех доступных ее источников с требуемой реальными областями деятельности человека степенью достоверности. Иными словами, речь идет о системе колоссального масштаба, обладающей рядом уникальных свойств. Так что очевидно, с одной стороны, SDI управляются не планами каких-то специфических организаций, а единственным законным «правителем» – потребностями пользователей в пространственной информации. С другой стороны, колоссальные масштабы SDI буквально вынуждают прибегать к централизации, и без участия мощных централизующих механизмов, таких как государство, в их (инициатив) становлении успеха не добиться. Соответственно SDI на деле означает массу координируемых (часто на государственном уровне) видов деятельности, и не только таких сугубо технологических, как, например, формирование стандартов и механизмов распространения информации, но и сугубо организационных, предусматривающих распределение ответственностей в рамках национальной информационной политики, а также финансовых (выделение бюджетов) и сугубо управленческих (людскими ресурсами и т. д.). Давайте вспомним проект модели геоида USGG2003 и подумаем, насколько это непросто координированно провести свыше двух с половинной миллионов измерений на суше и на море в пределах такой большой страны, как США. И ведь это только один фрагмент, всего одна деталь системы, которая формирует пространственные данные, а ведь есть же еще и детали рельефа, и леса, и искусственные объекты, и водоемы, и геологические, демографические данные, и результаты анализа почв, и так чуть ли не до бесконечности.

C 1991 г., когда появился термин «пространственные данные», возникло и понятие SDI. И с тех пор подобные SDI инициативы одобрили практически все развитые страны мира, т. е. более ста государств. Естественно, перечень тройки лидеров по формированию пространственных данных никого не удивит – это Канада, Австралия, США. Куда интереснее факт, что в лидеры выбились также Португалия и Нидерланды, задающие тон в Инфраструктуре пространственной информации Евросоюза INSPIRE (INfrastructure for SPatial InfoRmation in Europe). В США формирование собственной общенациональной инициативы пространственных данных NSDI стало в 1994 г. одним из незаметных успехов администрации президента Клинтона. Американская модель SDI как раз и предусматривает существование централизованного координирующего комитета федерального уровня FGDC (Federal Geographic Data Committee), в который входят заинтересованные в пространственной информации представители госдепартамента США, различных правительственных структур и федеральных агентств. Кроме этой структуры, предусмотрены еще три, отвечающие в той или иной мере за централизованное хранение и распространение пространственных данных и за взаимодействие с приватным сектором и академической наукой. В Канаде, стране, где была создана и успешно эксплуатировалась первая в мире GIS-система, видение SDI отличается от американского. Канадская инфрастуктура геопространственных данных CGDI (Canadian Geospatial Data Infrastructure) предусматривает существование всего одной координирующей организации – агентства GeoConnections, которое объединяет представителей всех уровней государственного аппарата, приватного сектора и академической науки. И, для полного контраста, следует заметить, что голландская инициатива пространственных данных вообще предусматривает существование одной координирующей независимой негосударственной неприбыльной организации RAVI, и это не мешает Нидерландам входить в пятерку мировых лидеров в формировании будущей Цифровой Земли (Digital Earth).

Естественно, SDI, как сложные системы, уже являются предметом самостоятельного изучения. Прежде всего интересны изменения в этих инициативах, происходящие в процессе их эволюционного развития. «Первое поколение» инициатив, формирование которых пришлось на начало 90-х годов прошлого столетия, соответствовало так называемой «продуктовой модели». То есть их главной целью был продукт – база данных пространственной информации. И одного десятилетия хватило для того, чтобы SDI второго поколения были перенацелены на процесс-ориентированную модель, где главная цель – широкое использование данных, формируемых системами – детищами первого поколения SDI. Специалисты связывают этот сдвиг с фундаментальным изменением технологий доступа к данным, в первую очередь с развитием Интернета (популярным веб-системам, соответствующим процесс-ориентированной модели SDI посвящен отдельный обзор этого номера журнала).

Теперь можно поговорить и о более близкой ИТ-специалистам, несоизмеримо менее масштабной, но, тем не менее, тоже весьма непростой характеристике пространственных данных. Об их архитектуре. SDA (Spatial Data Architecture) – также один из основных терминов в мире современных GIS. В нем под многозначным словом «архитектура» понимаются типы и атрибуты пространственных данных, их возможные связи и взаимосвязи, окружения (не только технологические) в которых эти данные получаются, хранятся и распространяются, и методы поиска необходимых данных. Перечень фундаментальных типов пространственных данных обязателен для ознакомительного изучения каждым, кто пытается использовать GIS. Векторные данные – святая святых и основа пространственных данных любых развитых GIS. Кроме знакомых по школьному курсу геометрии точек, отрезков прямых и многоугольников, с помощью которых в GIS часто описываются данные о положении в пространстве площадных объектов, не менее важны и понятия топологии. А именно, отношения между этими геометрическими примитивами. Например, в множестве точек некоторая точка I может быть одновременно началом отрезка A и концом – другого отрезка B, а сами отрезки A и B могут быть фрагментами некоторого многоугольника. И стоит изменить отношения принадлежности точки I к отрезкам A и B, чтобы результирующий многоугольник изменился до неузнаваемости. Топологическими отношениями описывается и расположение вложенных замкнутых объектов (внутри – снаружи), фундаментальное для техник классической топографии, где принято моделировать, например, рельеф местности линиями равной высоты (изогоризонталями). Так, гора может моделироваться набором многоугольников-изогоризонталей с определенным отношением порядка их вложенности. Кроме традиционных растровых (фактически графических) типов данных, в GIS широко применяются и воксели – пространственные пикселы, а также различные аппроксимационные модели сложных трехмерных поверхностей. Существуют и продолжают совершенствоваться и создаваться алгоритмы преобразований моделей на основе разных типов пространственных данных.

Оно нам надо

Очевидные детали и нюансы в этой статье выброшены за борт. Оставлено главное, фундаментальное, что нужно понимать в GIS – модель собственно пространства (в случае геоинформационной системы – модель планеты Земля), инфраструктура и архитектура пространственной информации. Очевидно, что для хранения этой информации нужны базы данных, и они, безусловно, есть и используются, но если вы понимаете, что нуждаетесь в решении задачи хранения данных и способны понять специфику данных, вы уже очень много знаете о возможных требованиях к базам данных. Очевидно, раз GIS сосуществуют с унаследованными картографическими системами, нужны механизмы, позволяющие на основе пространственных данных формировать карты (этот механизм на самом деле нужен только до тех пор, пока еще нужна унаследованная географическая система, которая, в принципе, обречена точно так же, как обречено после успешного завершения полностью цифровых проектов самолетов классическое черчение в машиностроении) и использовать ранее созданные карты в качестве источника пространственной информации. И каждое из этого очевидного – большой раздел инфраструктуры пространственных данных, SDI, целый мир, в котором есть и свои замечательные программные продукты, и компании, лидирующие на рынке соответствующих услуг, и, наконец, свои специфические инженерия и даже наука.

Не менее очевиден факт, что возможность свободного, удобного и доступного манипулирования пространственной информацией действительно уникальна, и мы, по сути, являемся первым поколением, которое с ней сталкивается. Естественно, мы только-только начинаем понимать, что реально можем получить от GIS-технологии. Говоря «мы», автор понимает не человечество в целом, не объединенные по цеховому принципу группы людей, а «просто человека», профессионально не связанного непосредственно с обработкой пространственной информации. Например человека, планирующего пеший поход в отпуске. Такой человек уже в наши дни, если он достаточно любопытен (и читал эту статью, например) вполне может знать, что географ, профессор нескольких ведущих американских университетов Уолдо Тоблер (Waldo Tobler) на основании обширных статистических исследований на основе огромной базы пространственной информации в 90-х годах вывел хорошо «работающую» формулу... скорости пешехода в зависимости от пересеченности рельефа местности:

GIS – это не просто непросто

И если этот человек понимает, что путешествовать он будет не по плоскому листу карты, а по реальной поверхности Земли, он, имея доступ к пространственной информации, легко, с помощью примитивных действий с калькулятором, может спланировать по времени свое путешествие. И сегодня этот сценарий никому не кажется чем-то необычным. Это – нормально уже сегодня.

Так что в названии данного раздела статьи умышленно сделана ошибка, и ее печать согласована в том числе и с литературной редакцией – название, конечно же, должно завершаться восклицательным знаком. Потому что GIS нам реально нужны.

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Вот сегодня открываю "Компьютерное Обозрение" - а там спецвыпуск а на той странице где статья типа основная в самом центре дизайна страницы - Бермудский Треугольник.

А я вот пару недель назад как раз изучал дно Саргасового моря через Google Maps, в области єтого самого Бермудского Треугольника.

А было дело просто, вот буквально недавно, когда прибыли компаний осуществляющих морские перевозки стали падать, решили чуть-чуть проложить маршрут по Бермудскому треугольнику. Да и радиосвязь мощная теперь, и корабли большие современные, и суевериям не верят. Ну что может случится с кораблем где есть все службы присутствующие в современном флоте, и который имеет гигантский тоннаж? В общем недосчитались таких современных кораблей. (К слову сказать Мария Селеста (Челеста) тоже когда-то была кораблем очень современным). С первого раза думали что случайно, потом оказалось что все в Бермудском треугольнике.

По большему счету если решить проблему этого самого Бермудского треугольника, то возможно можно сэкономить кучу денег выпрямив маршруты к портам юго-востока США. Но есть еще и моральный аспект. Вот как-то можно сказать меня заставили исследовать аномальную зону которая расположена в нескольких десятках километров на юг от Киева. Кончилось тем что несколько интеллектуалов поехали крышей от результатов, те кто некрасиво настаивал ... почему-то мне не рассказывают что с ними случилось.

Но спасибо что кто-то подкинул через Ваш журнал очень детальное изображение дна Бермудского Треугольника, так намного удобнее.

http://DawnON.com

Бермудский теругольник - миф ))). Через него проходит так много маршрутов, в т.ч. пассажирских, что естественно что какой-нибудь транспорт, даже по теории вероятности, может утонуть.

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT