Геоинформационные системы: что это за технология и как работает

Читать в полной версии

Что такое геоинформационные системы

Геоинформационные системы (ГИС, географическая информационная система) — это компьютерные технологии, которые применяют для создания карт и оценки фактически существующих объектов, а также происшествий. Такие системы собирают, хранят и анализируют информацию, а также обеспечивают ее графическую интерпретацию. Подобные инструменты позволяют пользователям искать, анализировать и редактировать цифровые карты, а также находить дополнительную информацию об объектах на них.

ГИС начали разрабатывать в 1960-х годах, когда появились компьютеры и пространственный анализ с визуализацией. Первой ГИС считается Канадская географическая информационная система, которая позволила стране запустить программу управления землепользованием. В 1970-е начали появляться ГИС, которые обеспечивали навигацию, вывоз городских отходов и мусора, движение транспорта в чрезвычайных ситуациях. В 1980-е годы ГИС начали применять в коммерческих сферах, так как их стали объединять с базами данных компаний. В настоящее время доступность программных средств позволяет модифицировать эти системы под самые разные задачи.

С помощью ГИС можно сравнивать и противопоставлять много разных типов информации. Система может включать данные о людях, такую как численность населения, доход или уровень образования. Она может также объединять информацию о ландшафте, например о местонахождении ручьев, различных видах растительности и почвах. ГИС может включать данные о местонахождении заводов, ферм и школ, ливневых канализаций, дорог и линий электропередач.

Данные в системах ГИС обычно отображаются на карте. Технология позволяет пользователям искать разные виды данных в определенной географической области. Например, ГИС-карта одного города или района может содержать такую информацию, как средний доход, уровень продаж книг или итоги голосования. Любой слой данных можно как добавить, так и удалить, что делает обновление таких карт гораздо проще. Человек может указать место или объект на цифровой карте, чтобы найти информацию о нем. Например, пользователь может щелкнуть на значок школы, чтобы узнать, сколько учеников в ней занимается.

Существуют также ГИС-модели. С их помощью исследователи отслеживают изменения с течением времени. Так, они могут использовать спутниковые данные для изучения наступления и отступления льда в полярных регионах, а также оценивать, как объем этого покрова изменился с течением времени. ГИС-модели позволяют создать покадровые снимки, которые показывают процессы, происходящие на больших площадях и в течение длительных периодов времени. Например, визуализация данных о течениях в океане помогает ученым лучше понять, как тепло перемещается по земному шару. ГИС-системы часто используются для создания трехмерных изображений. Это полезно, например, для геологов, изучающих сейсмические разломы.

Виды ГИС

Географические информационные системы классифицируют по-разному в зависимости от масштабности и функционала, а также других признаков.

По территориальному охвату ГИС бывают:

• глобальными;
• субконтинентальными;
• национальными;
• региональными;
• субрегиональными;
• локальными или местными.

По уровню управления:

• федеральными;
• региональными;
• муниципальными;
• корпоративными.

По функциональности:

• полнофункциональными;
• для просмотра данных;
• для ввода и обработки данных;
• специализированными с дополнительными функциями.

По предметной области:

• картографическими;
• геологическими;
• городскими или муниципальными;
• природоохранными,
• туристическими.

Если в ГИС присутствуют возможности цифровой обработки изображений, то такие системы называются интегрированными ГИС (ИГИС). Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС обеспечивают графическое или картографическое воспроизведение данных в любом масштабе с наибольшим разрешением. Пространственно-временные ГИС работают с данными во времени.

Назначение ГИС

В наши дни географические информационные системы применяются широко.

Окружающая среда

Экологи и предприятия используют ГИС для изучения изменений климата, подземных вод и оценки человеческого воздействия на природу. Так, в 2021 году «Росатом» разработал систему «Логос Гидрогеология», с помощью которой можно оценивать воздействие техногенных объектов на подземные воды и грунт как для штатного режима работы предприятий, так и для вероятных аварийных ситуаций. Модель прогнозирует уровень затопления территорий, риски прорыва плотин, подъем или понижение уровня воды от строительства плотин, дамб и каналов.

Военная сфера

ГИС помогает оценивать ситуацию в зоне тактической операции, проводить операции на суше (показывает условия местности, высоты, маршруты, растительный покров, объекты и населенные пункты), в воздухе (передает данные о погоде и видимости пилотам; направляет войска и снабжение) и на море (показывает течения, высоту волн, приливы и погоду). Российская компания КРЭТ в 2021 году представила навигационную систему для беспилотников, которая позволяет дронам летать автономно даже при отсутствии наземных, морских или космических ориентиров. Таким образом, она не требует работы GPS или «Глонасс».

Сельское хозяйство

Фермеры используют ГИС для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Данные поступают из различных источников: метеорологических станций, наземных датчиков, образцов почвы, спутников и беспилотников. В СПбГУ в 2021 году разработали геоинформационную систему для виноделов. Она позволяет оценить пригодность планируемых под посадки земель и соотнести ее с сортами винограда.

Лесное хозяйство

Лесники с помощью ГИС отслеживают вырубку и проводят инвентаризацию лесных насаждений. В 2020 году Минприроды и «Роскосмос» объявили о создании системы цифрового космического мониторинга. Она предназначена для эффективного контроля лесопользования, обращения с отходами и экологического контроля с помощью дистанционного зондирования Земли из космоса.

Бизнес

Геопространственные данные охватывают связанные с конкретным положением данные, такие как демографические характеристики покупателей или информацию о том, где в магазине люди проводят больше всего времени. Информацию можно использовать при выборе места для магазина, определении набора товаров и их выкладки и так далее. Так, группа компаний «МЫ!» развивает сеть гастрономов в формате «у дома», выбирая подходящие локации с помощью инструментов геоанализа ГИС Atlas и Geonet. А банк «Открытие» управляет продажами с помощью решения MLead российской компании-разработчика Marketing Logic. Новая платформа автоматизировала работу выездных сотрудников департамента корпоративных продаж банка: она ставит и контролирует задачи, предлагает оптимальные маршруты встреч, отправляет необходимую информацию клиентам и готовит отчеты.

Общественная безопасность

ГИС позволяют организовать охрану объектов, координировать оборону, реагировать на природные катастрофы, координировать действия правоохранительных органов, органов национальной безопасности и экстренных служб. В 2020 году Google разработала сервис по оповещению о землетрясениях Earthquake Alerts System. Она, по сути, превращает обычный смартфон на Android в мини-сейсмометр. Google получает данные с 700 сейсмометров и заранее предупреждает пользователей о толчках.

Здравоохранение

ГИС помогают выявить проблемы с медобслуживанием в конкретном регионе, а также спрогнозировать распространение эпидемий.

Промышленность

ГИС помогают отслеживать производительность предприятий и работы строек в реальном времени. В настоящее время «Терра Тех» (входит в госкорпорацию «Роскосмос») создает технологию мониторинга с использованием дистанционного зондирования Земли и беспилотников для контроля строительства на БАМе и ТрансСибе.

Федеральная и местная власть

ГИС помогает управлять транспортной инфраструктурой, сельским и лесным хозяйством, горнодобывающей промышленностью, водными ресурсами. Местные органы власти широко применяют ГИС для наблюдения за дорожным движением и условиями, качеством окружающей среды, распространением заболеваний, распределением предприятий коммунального хозяйства, чтобы своевременно реагировать на запросы населения. «Ростелеком» начал внедрять в Анапе геоинформационную платформу РусГИС, которая оцифрует и объединит в единую систему всю информацию о муниципальной собственности, транспорте, пляжных территориях и других социально и экономически значимых объектах. Это поможет оптимизировать издержки на эксплуатацию городской инфраструктуры, принимать эффективные управленческие решения и повысить инвестиционную привлекательность курорта.

Страхование и недвижимость

В данных сферах ГИС позволяют принимать решения о застройке площадей, выполнять их зонирование, а также выстраивать тарифную политику в зависимости от рисков. Росреестр в декабре 2021 года представил сервис «Умный Кадастр», который помогает вовлекать в оборот неиспользуемые объекты недвижимости. А «Росгосстрах» уже внедрил аналитическую геосистему с интерфейсом «умных карт» в помощь страховым агентам. Она отражает актуальную картину по страхованию объектов в масштабе отдельного населенного пункта.

Программы для ГИС

ГИС-приложения включают в себя как аппаратную, так и программную составляющие. Они объединяют различные типы информации, среди которых:

• картографические данные — представлены в виде карты и могут включать такую информацию, как расположение рек, дорог, жилых и нежилых строений;
• аэрофотоснимки и обычные фотографии и видео;
• данные со спутников;
• данные дистанционного зондирования (обычно с применением воздушных шаров и дронов);
• таблицы — могут варьироваться от возраста, дохода и этнической принадлежности людей и до недавних покупок и их предпочтений в Интернете,
• глобальные системы позиционирования (GPS);
• данные из Интернета;
• документы, включая архивные таблицы и каталоги координат;
• данные из других ГИС.

Технология ГИС позволяет накладывать все типы информации, независимо от их источника или исходного формата, поверх друг друга на одной карте. ГИС использует местоположение в качестве ключевой переменной, чтобы связать эти, казалось бы, несвязанные данные.

Ввод информации в ГИС называется сбором данных. Информацию, которая уже находится в цифровой форме, можно просто загрузить в систему. Однако сначала карту необходимо отсканировать или преобразовать в цифровой формат.

Географические информационные системы включают три компонента:

1. Данные: ГИС хранит данные о местоположении в виде слоев информации по разным темам. Каждый набор данных имеет таблицу атрибутов, в которой хранится информация об объекте. Два основных типа формата файлов ГИС — растровый и векторный. Растровый представляет собой сетки из ячеек или пикселей. Он полезен для хранения различных ГИС-данных. Векторный формат выглядит как многоугольник, в котором используются точки (называемые узлами) и линии. Векторные файлы нужны для хранения данных ГИС с четкими границами, такими как городские округа или улицы. В итоге технология позволяет отображать пространственные и линейные зависимости. Пространственные показывают топографию местности (поля, ручьи), а линейные представлены дорогами или коммунальными сетями.
2. Аппаратный компонент, который запускает программное обеспечение ГИС. Это может быть что угодно: мощные серверы, мобильные телефоны или персональные рабочие станции. Как правило, в работе с ГИС нужны два монитора, дополнительное хранилище данных и графические карты высокой четкости.
3. Программное обеспечение. Оно специализируется на пространственном анализе с использованием математики в картах. Такое ПО сочетает в себе географию с современными технологиями для измерения, количественной оценки и анализа. Самыми популярными программами считаются ArcGIS и QGIS.

В ГИС информация со всех различных карт и источников должна соответствовать одному масштабу — соотношению между расстоянием на карте и фактическим расстоянием на Земле. При этом разные карты имеют разные проекции. Чтобы перенести изогнутую трехмерную форму на плоскую поверхность, неизбежно требуется растяжение одних частей и сжатие других. Так, на карте мира могут быть показаны либо страны правильного размера, либо их правильные формы, но нельзя отобразить эту информацию одновременно. ГИС берет данные с разных карт мира и объединяет ее, чтобы отобразить в одной общей проекции.

Примеры программ

Mapinfo. С помощью этой программы можно создавать тематические карты, а также строить 3D-ландшафты. Mapinfo включает инструмент оцифровки материала и его обмена с другими организациями. Рабочее окно можно сохранять в разных форматах: bmp, tif, jpg и wmf.

DataGraf. Данный инструмент предназначен для пространственной визуализации и моделирования ситуаций. Программа позволяет создавать векторные карты, привязывать к каждому их элементу неограниченное число данных, копировать эти данные в другой файл и вручную изменять характеристики объектов и их местоположения.

NextGIS. Бесплатный облачный продукт от российских разработчиков. С помощью него можно создавать веб-карты с произвольными настройками и стилями слоев, а также рассматривать и анализировать эти карты. Также можно встраивать карты в веб-сайты.

Работа в ГИС

Геоинформатика считается уже сложившейся отраслью, в которой работают крупные компании с миллиардными оборотами по всему миру, в том числе Яндекс и Google. Как правило, в наши дни во всех крупных компаниях, связанных с пространственной информацией, есть картографический и ГИС-отделы. В отрасли, помимо специалистов, востребованы сотрудники для базовых задач по сбору данных и оцифровке. На такие позиции часто берут студентов-практикантов.

Специалисты по ГИС-технологиям работают в разных направлениях. Выделяют несколько основных специальностей:

• Картографы. Эти специалисты создают цифровые карты.
• Менеджеры баз данных. Они хранят и извлекают информацию из структурированных наборов в пространственные базы данных.
• Программисты. Они пишут код и автоматизируют процессы в ГИС. В таких системах обычно используют языки программирования Python, SQL, C ++, Visual Basic и JavaScript.
• Специалисты по дистанционному зондированию. Они используют программное обеспечение для аэрофотосъемки, спутниковой съемки и дистанционного зондирования.
• Пространственные аналитики. Они обрабатывают, извлекают данные, определяют местоположения и анализируют геоданные.
• Землеустроители — специалисты по топографической съемке, измерениям и межеванию земельных угодий.

За рубежом средняя зарплата в ГИС составляет от $40 000 до $100 000 в год. Картографы обычно зарабатывают меньше всего, а самые большие заработки — у старших инженеров-программистов.

В России зарплаты специалистов сферы ГИС также варьируются. Картограф может претендовать на зарплату от ₽80 тыс., тогда как ведущие разработчики зарабатывают от ₽200 тыс. По направлениям, связанным с ГИС, специалистов обучают все ведущие и региональные российские вузы, в том числе Московский государственный университет геодезии и картографии, МИРЭА — Российский технологический университет, НИУ ВШЭ, Государственный университет по землеустройству и другие. Кроме того, в интернете есть онлайн-курсы по этому направлению.