Геоинформационные системы: что это за технология и как работает

Фото: Shutterstock
Фото: Shutterstock
Геоинформационные системы применяют в целом ряде сфер: от сельского хозяйства и до планирования туристических маршрутов. РБК Тренды рассказывают, как работает технология и почему она важна

Геоинформационные системы в наши дни помогают решать ряд важных задач — от определения оптимального маршрута и до анализа проблем экологии и перенаселения. РБК Тренды объясняют, что это за технологии, как они работают и где используются.

Содержание

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.

Визуализация ГИС
Визуализация ГИС (Фото: Esri)

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.

Фото:Unsplash
Индустрия 4.0 Что такое цифровые двойники и где их используют

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».

Фото:Shutterstock
Индустрия 4.0 Слежка за базами и борьба с террористами: как используют Big Data в армии

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.

Фото:Unsplash
Индустрия 4.0 От банкомата до МФЦ: как геоаналитика помогает найти лучшую локацию

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.

Презентация работы Earthquake Alerts System

Здравоохранение

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

ГИС-карта Университета Хопкинса по распространению COVID-19
ГИС-карта Университета Хопкинса по распространению COVID-19 (Фото: ArcGIS)

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.

Процесс создания ГИС
Процесс создания ГИС (Фото: GAO)

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.

ГИС-карты возраста жилой застройки в сельских районах США. По часовой стрелке от верхнего левого угла они отображают период до 1860 года, 1860-1879 гг., 1880-е, 1890-е, 1900-е, 1910-е, 1920-е и 1930-е годы. Карты созданы в QGIS
ГИС-карты возраста жилой застройки в сельских районах США. По часовой стрелке от верхнего левого угла они отображают период до 1860 года, 1860-1879 гг., 1880-е, 1890-е, 1900-е, 1910-е, 1920-е и 1930-е годы. Карты созданы в QGIS (Фото: Christopher Riley / Flickr)

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.

Пример работы в NextGIS
Пример работы в NextGIS (Фото: NextGIS)

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.

Пирамида зарплат в ГИС
Пирамида зарплат в ГИС (Фото: Indeed Salary Search)

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.

Обновлено 01.02.2022
Главная Лента Подписаться Поделиться
Закрыть